works.tarefer.ru

Реферат на тему Галактики

Галактики Реферат по астрономииСодержание Введение.. 31. Теория дискообразности галактик И. Канта, ее развитие.. 32. Гипотеза квазаров - ядерообразующих галактик.. 63. Современные представления о галактиках.. 84. Состав Галактики.. 13Заключение.. 17Список литературы... 19 От наивной древней картины мира, принимавшей за действительность кажущуюся одинаковую удаленность всех звезд и располагавшую их всех на поверхности хрустальной сферы, мы должны перейти к познанию истинной пространственной структуры грандиозной звездной системы.Первое, что мы стремимся установить,— это общие контуры, общие очертания нашей звездной системы, хотя бы в самых грубых чертах. Это удалось сделать еще до того, как стало известно расстояние до ближайшей звезды. На первых порах совершенно правильно приняли для этой цели, что светимость всех звезд одинакова и что различие в их видимом блеске зависит исключительно от их расстояния до нас. Мы знаем теперь, что в действительности светимости звезд различаются прямо-таки чудовищно, но мы знаем также и то, что очень ярких звезд очень мало и что из очень слабых звезд видны лишь те, которые к нам совсем близки. Философ И.Кант занимался главным образом естественно научными проблемами и выдвинул ряд важных гипотез, в том числе "небулярную" космогоническую гипотезу, согласно которой возникновение и эволюция солнечной системы выводится из существования "первоначальной туманности".[1] В это же время философ высказал предположение о существовании большой вселенной галактик вне нашей галактики.В 1747 году, не защитив магистерской диссертации, Кант впервые покидает Кенигсберг. В этот период Кант написал рукопись по астрономии "Космогония или попытка объяснить происхождение мироздания, образование небесных тел и причины их движения общими законами развития материи в соответствии с теорией Ньютона". Статья была написана на конкурсную тему, предложенную Прусской академией наук, но молодой ученый не решился принять участие в конкурсе. Статья была опубликована только 1754 году после возвращения Канта в Кенигсберг. Несколько позднее, в конце лета 1754 года, Кант публикует вторую статью, посвященную также вопросам космогонии, - "Вопрос о том, стареет ли Земля с физической точки зрения". Эти две статьи были как бы прелюдией к космогоническому трактату, который был вскоре написан. Его окончательное название гласило "Всеобщая естественная история и теория неба, или попытка истолковать строение и механистическое происхождение всего мироздания, исходя из принципов Ньютона".[2] Трактат вышел анонимно в 1755 году, и вскоре в одном из гамбургских изданий появилась одобрительная рецензия. Работа представляет собой своеобразную попытку сочетать пытливость натуралиста с привычными с детства догматами церкви. Приступая к изложению космогонической системы Кант озабочен одним: как согласовать ее с верой в бога. Философ убежден, что противоречия между его гипотезой и традиционным религиозными (христианским) верованием нет. Однако, очевидно некоторое сходство его взглядов с идеями древних материалистов - Демокрита и Эпикура. Как и эти философы, Кант полагал, что первоначальным состоянием природы было всеобщее рассеяние первичного вещества, атомов. Он показал, как под воздействием чисто механистических причин из первоначального хаоса материальных частиц могла образоваться наша солнечная система. Таким образом, философ отрицал за богом роль "зодчего вселенной".[3] Однако, он видел в нем все же творца того первоначально рассеянного вещества, из которого (по законам механики) возникло нынешнее мироздание. Относительно Галактики Кант утверждал, что она имеет четкую форму диска.[4] Дальнейшее развитие этой теории мы видим в следующем. Допустим, вы стоите на высоком холме над равниной, на которой разбросаны купами старые и молодые деревья. Они различны по высоте, высоту каждого из них вы не знаете. Но, глядя на них с холма, вы по их кажущейся величине довольно правильно можете судить о расстоянии до каждой купы деревьев. Такой путь изучения звездной Вселенной предложил Вильям Гершель. До него ограничивались наблюдением положения звезд на небе и изучением поверхности Луны и планет, а также увлекались изучением движения членов Солнечной системы.Для выяснения контуров Вселенной Гершель стал подсчитывать число звезд разного блеска, видимых в поле зрения его телескопа в различных участках неба,— в Млечном Пути и в стороне от него. Он обнаружил, что чем слабее звезды, тем быстрее возрастает их число по мере приближения к Млечному Пути. Сам же Млечный Путь, как открыл еще Галилей, состоит из бесчисленного множества слабых звезд, сливающихся в сплошную сияющую массу, которая как кольцо опоясывает все небо.Из этих подсчетов Гершелю стало ясно, что дальше всего наша звездная система тянется во все стороны от нас по направлению к Млечному Пути в плоскости, проходящей через его среднюю линию. Так как Млечный Путь опоясывает все небо, деля его почти пополам, то, очевидно, наша Солнечная система находится вблизи этой плоскости (вблизи галактической плоскости, как ее называют).Однако Гершель принимал, что он своим гигантским телескопом проник до границ нашей звездной системы, состоящей из звезд, расположенных в пространстве будто бы равномерно.Основатель Пулковской обсерватории В. Я. Струве в 1847 г. пересмотрел расчеты Гершеля и, изучив распределение звезд, доказал ошибочность подобных выводов. Струве установил, что в пространстве звезды расположены не равномерно, а сгущаются к плоскости Млечного Пути, что наше Солнце вовсе не занимает центральное положение в этой звездной системе и что наибольшие телескопы Гершеля далеко еще не достигли ее границ, а потому и о форме ее говорить преждевременно. Гершель считал, что он как бы сидит со своим телескопом в центре правильно расположенной рощи, из которой обозревает все ее опушки, а Струве доказал, что Гершель сидел где-то в огромном лесу, полном чащ и разрежений, откуда опушки леса далеко еще не видны.Чем дальше от плоскости Млечного Пути, тем меньше там видно слабых звезд и тем на меньшее расстояние в этих направлениях тянется звездная система. В общем наша звездная система, названная Галактикой, занимает пространство, напоминающее линзу или чечевицу. Она сплющена, толще всего в середине и утончается к краям. Если бы мы могли видеть ее «сверху» или «снизу», она имела бы, грубо говоря, вид круга (не кольца!). «Сбоку» же она выглядела бы как веретено. Но каковы размеры этого «веретена»? Однородно ли расположение звезд в нем?Ответ дает уже простое рассматривание Млечного Пути, который весь состоит как бы из нагромождения звездных облаков. Одни облака ярче, в них больше звезд (как, например, в созвездиях Стрельца и Лебедя), другие же беднее звездами.[5]Видимая клочковатость Млечного Пути создается также и неравномерным распределением облаков космической пыли, темными туманностями разной плотности, поглощающими свет звезд, находящихся за ними. Но и с учетом этого наша звездная Вселенная неоднородна. Галактика состоит из звездных облаков. Солнечная система находится в одном из них, называемом «Местной системой». Самые мощные облака звезд находятся в направлении созвездия Стрельца; там Млечный Путь наиболее ярок. Он наименее ярок в противоположной части неба.Из этого нетрудно вывести заключение, что Солнечная система не находится в центре Галактики, который от нас виден в направлении созвездия Стрельца. Значит, Млечный Путь — это картина, видимая нами, находящимися внутри Галактики, вблизи ее плоскости, но вдали от ее центра.В середине Галактики находится ее ядро, которое по аналогии с ядрами других звездных систем должно иметь вид немного сплюснутого эллипсоида вращения. Мы находимся от него несколько далее 25 000 световых лет. В ядре Галактики нет горячих сверхгигантов и возбуждаемых ими к свечению диффузных газовых туманностей. Нет там и пыли, но есть в нем нейтральный водород, который, по неясной еще причине, растекается оттуда в плоскости Галактики со скоростью около 50 км/сек. Ядро, вероятно, окружено быстро вращающимся кольцом нейтрального водорода. Основное излучение ядра создается, по-видимому, оранжевыми звездами-гигантами (не сверхгигантами) спектрального класса К и множеством звезд карликов класса М. По отдельности они все не видны, и этот вывод основан на анализе суммарного цвета и спектра ядра. В общих грубых чертах форма Галактики сходна с чечевицей или с тонкой линзой, в середине которой находится более толстое и яркое ядро. Это ядро должно было бы казаться очень ярким, если бы его не скрадывало, не затмевало поглощение света в массах космической пыли. Между галактиками могут действовать силы иной природы, чем уже знакомые нам тяготение и магнетизм.Нет ничего невероятного в этой возможности. Вместо тяготения в мире молекул возникают молекулярные силы, а в мире еще более мелких частиц, в ядрах атомов,— ядерные силы и квантовые процессы. Несомненно, что и в области систем все возрастающих размеров на смену тяготению, в основном определяющему движение планет и двойных звезд и их формы, где-нибудь выступят новые силы или формы взаимодействия.Если эти представления подтвердятся, то окажется, что человек проник не только в особые законы, управляющие превращениями элементарных частиц в атомах, но и в особые законы наиболее крупных среди известных нам материальных систем.Сейчас с каждым годом открывают все новые и новые, все более слабые источники радиоизлучения, Между тем самой мощной из известных радиогалактик и даже самым мощным внегалактическим видимым источником является очень далекая галактика Лебедь А. Самым удивительным открытием последних лет было обнаружение Сандейджем и Шмидтом (США) необычных источников радиоизлучения. После уточнения координат мощных источников радиоизлучения некоторые из них пришлось отождествить с очень слабыми точечными объектами, не отличимыми от звезд даже в самые сильные телескопы. Сомнения в правильности их отождествления отпали, когда удалось получить и расшифровать спектры этих голубоватых «звездочек» — они явно оказались не звездами. Эти объекты назвали квазизвездными («подобными звездам») источниками радиоизлучения или, сокращенно (на английском языке), квазарами. В их спектрах, как правило, видны яркие линии, которые долго не могли отождествить. Не могли их отождествить долго потому, что это были линии, находящиеся нормально в далекой ультрафиолетовой области спектра, которая в спектрах небесных тел недоступна для наблюдений из-за ее поглощения в земной атмосфере. Чудовищное красное смещение в спектре квазаров сместило эти линии в наблюдаемую область спектра. Красное смещение квазаров в большинстве случаев оказалось гораздо больше, чем у самых далеких галактик, у которых его удалось измерить.Большинство квазаров обозначается номерами по третьему Кэмбриджскому каталогу источников радиоизлучения, обозначаемому сокращенно ЗС.Если красное смещение в спектрах квазаров той же природы, что у галактик, то, значит расстояния до них громадны и, оказывается, что их оптическая светимость раз в 100 больше, чем у ярчайших галактик и радиогалактик! А их радиоизлучение почти такое же и не меньше, чем у радиогалактик.В 1965 г. Сандейдж в США сделал еще одно сенсационное открытие. Он обнаружил в направлении на полюс Галактики множество очень слабых голубых звездообразных объектов, по цвету сходных с квазарами. Он получил фотографии спектров шести из них. Один спектр принадлежал обычной, сравнительно близкой звезде, два спектра были без всяких линий, а в трех случаях обнаружились яркие линии с огромными красными смещениями, как у квазаров, хотя радиоизлучение от них пока не обнаружено.Такие объекты Сандейдж назвал «квазизвездными галактиками» или, сокращенно, квазагами и из измерения числа голубых объектов заключил, что их должно быть в сотни раз больше, чем квазаров. (Этим объектам давали и другие названия, которыми лучше не пользоваться.) Последующие исследования показали, что большинство голубых объектов у полюса Галактики — это голубоватые звезды разных типов, принадлежащие к окраинам нашей Галактики, а квазаров в действительности раз в 10 меньше, но все же много больше в единице объема, чем квазаров. Цвикки считает, что квазаги Сандейджа тождественны тем его крайне компактным галактикам, которые голубоваты и имеют яркие линии в спектре. (Речь идет о тождестве типов, а не индивидуальных объектов.)Полагают, что, может быть, квазары являются кратковременной фазой бурного развития квазагов, отчего мощное радиоизлучение наблюдается только у немногих из них, когда мы их и регистрируем как квазары. Во всяком случае, открытие квазаров и квазагов явилось самым волнующим открытием в астрономии не только за последнее время. Ведь это какие-то совершенно новые виды небесных светил с загадочными свойствами, быть может, подводящими нас к открытию величайших законов природы.[6]Заметим, что большинство ученых придерживается убеждения, что звезды и галактики возникают путем конденсации разреженного газа. Говоря о взрывах в галактиках, обычно не высказывают мнения о том, что же, собственно говоря, взрывается.Вообще и звезды, и газ возникают при взрывах из сверхплотного вещества. Ученые считают, что в ядрах некоторых галактик существует занимающая малый объем огромная масса сверхплотного вещества, способного взрывоподобно делиться и образовывать пары и группы разбегающихся галактик. Мелкие выбросы образуют галактики-спутники. Радиогалактики, а может быть, и квазары, ученые рассматривают как галактики, ядра которых находятся в процессе катастрофического деления. Найдено немало подтверждений тому, что многие группы галактик и даже скопления их распадаются, хотя неизвестно, откуда может взяться нужная для этого колоссальная энергия. Но этот же вопрос остается в силе относительно позднее открытых радиогалактик и квазаров. Как говорится: «невероятно, но факт». Правда, пока еще в ядрах галактик не обнаружено очень больших и крайне плотных масс, но теперь эта возможность представляется менее невероятной, чем казалось раньше. Теперь тезис об огромной активности ядер галактик приобрел общее признание. Галактики стали предметом космогонических исследований с 20-х годов ХХ века, когда была надежно установлена их действительная природа и оказалось, что это не туманности, т.е. не облака газа и пыли, находящиеся неподалеку от нас, а огромные звездные миры, лежащие от нас на очень больших расстояниях от нас. В основе всей современной космологии лежит одна фундаментальная идея - восходящая к Ньютону идея гравитационной неустойчивости. Вещество не может оставаться однородно рассеянным в пространстве, ибо взаимное притяжение всех частиц вещества стремиться создать в нем сгущения тех или иных масштабов и масс. В ранней Вселенной гравитационная неустойчивость усиливала первоначально очень слабые нерегулярности в распределении и движении вещества и в определенную эпоху привела к возникновению сильных неоднородностей: "блинов" - протоскоплений. Границами этих слоев уплотнения служили ударные волны, на фронтах которых первоначально невращательное, безвихревое движение вещества приобретало завихренность. Распад слоев на отдельные сгущения тоже происходил, по-видимому, из-за гравитационной неустойчивости, и это дало начало протогалактикам. Многие из них оказывались быстро вращающимися благодаря завихренному состоянию вещества, из которого они формировались. Фрагментация протогалактических облаков в результате их гравитационной неустойчивости вела к возникновению первых звезд, и облака превращались в звездные системы - галактики. Те из них, которые обладали быстрым вращением, приобретали из-за этого двухкомпонентную структуру - в них формировались гало более или менее сферической формы и диск, в котором возникали спиральные рукава, где и до сих пор продолжается рождение звезд Протогалактики, у которых вращение было медленнее или вовсе отсутствовало, превращались в эллиптические или неправильные галактики. Параллельно с этим процессом происходило формирование крупномасштабной структуры Вселенной - возникали сверхскопления галактик, которые, соединяясь своими краями, образовывали подобие ячеек или пчелиных сот; их удалось распознать в последние годы. В 20-30 гг. XX века Хаббл разработал основы структурной классификации галактик - гигантских звездных систем, согласно которой различают три класса галактик:

I. Спиральные галактики - характерны двумя сравнительно яркими ветвями, расположенными по спирали. Ветви выходят либо из яркого ядра (такие галактики обозначаются S), либо из концов светлой перемычки, пересекающей ядро (обозначаются - SB). II. Эллиптические галактики (обозначаются Е) - имеющие форму эллипсоидов. Представитель - кольцевая туманность в созвездии Лиры находится на расстоянии 2100 световых лет от нас и состоит из светящегося газа, окружающего центральную звезду. Эта оболочка образовалась, когда состарившаяся звезда сбросила газовые покровы и они устремились в пространство. Звезда сжалась и перешла в состояние белого карлика, по массе сравнимого с нашим солнцем, а по размеру с Землей. III. Иррегулярные (неправильные) галактики (обозначаются I) - обладающие неправильными формами. По степени клочковатости ветвей спиральные галактики разделяются на подтипы а, в, с. У первых из них - ветви аморфны, у вторых - несколько клочковаты, у третьих - очень клочковаты, а ядро всегда неярко и мало. Плотность распределения звезд в пространстве растет с приближением к экваториальной плоскости спиральных галактик. Эта плоскость является плоскостью симметрии системы, и большинство звезд при своем вращении вокруг центра галактики остается вблизи нее; периоды обращения составляют 107 - 109 лет. При этом внутренние части вращаются как твердое тело, а на периферии угловая и линейная скорости обращения убывают с удалением от центра. Однако в некоторых случаях находящееся внутри ядра еще меньшее ядрышко ("керн") вращается быстрее всего. Аналогично вращаются и неправильные галактики, являющиеся также плоскими звездными системами. Эллиптические галактики состоят из звезд второго типа населения. Вращение обнаружено лишь у наиболее сжатых из них. Космической пыли в них, как правило, нет, чем они отличаются от неправильных и особенно спиральных галактик, в которых поглощающее свет пылевое вещество имеется в большом количестве. В спиральных галактиках поглощающее свет пылевое вещество имеется в большем количестве. Оно составляет от нескольких тысячных до сотой доли полной их массы. Вследствие концентрации пылевого вещества к экваториальной плоскости, оно образует темную полосу у галактик, повернутых к нам ребром и имеющих вид веретена. Последующие наблюдения показали, что описанная классификация недостаточна, чтобы систематизировать все многообразие форм и свойств галактик. Так, были обнаружены галактики, занимающие в некотором смысле промежуточное положение между спиральными и эллиптическими галактиками (обозначаются Sо). Эти галактики имеют огромное центральное сгущение и окружающий его плоский диск, но спиральные ветви отсутствуют. В 60-х годах ХХ века были открыты многочисленные пальцеобразные и дисковидные галактики со всеми градациями обилия горячих звезд и пыли. Еще в 30-х годах ХХ века были открыты эллиптические карликовые галактики в созвездиях Печи и Скульптора с крайне низкой поверхностной яркостью, настолько малой, что эти, одни из ближайших к нам, галактик даже в центральной своей части с трудом видны на фоне неба. С другой стороны, в начале 60-х годов ХХ века было открыто множество далеких компактных галактик, из которых наиболее далекие по своему виду не отличимы от звезд даже в сильнейшие телескопы. От звезд они отличаются спектром, в котором видны яркие линии излучения с огромными красными смещениями, соответствующими таким большим расстояниям, на которых даже самые яркие одиночные звезды не могут быть видны. В отличие от обычных далеких галактик в которые, из-за сочетания истинного распределения энергии в их спектре и красного смещения выглядят красноватыми, наиболее компактные галактики (называющиеся также квазозвездными галактиками) имеют голубоватый цвет. Как правило, эти об'екты в сотни раз ярче обычных сверхгиганских галактик, но есть и более слабые. У многих галактик обнаружено радиоизлучение нетепловой природы, возникающее, согласно теории руссого астронома И.С.Шкловского, при торможении в магнитном поле электронов и более тяжелых заряженных частиц, движущихся со скоростями, близкими к скорости света (так называемое синхотронное излучение). Такие скорости частицы получают в результате грандиозных взрывов внутри галактик. Компактные далекие галактики, обладающие мощным нетепловым радиоизлучением, называются N-галактиками. Звездообразные источники с таким радиоизлучением, называются квазарами (квазозвездными радиоисточниками), а галактики обладающие мощным радиоизлучением и имеющие заметные угловые размеры, - радиогалактиками. Все эти объекты чрезвычайно далеки от нас, что затрудняет их изучение. Радиогалактики, имеющие особенно мощное нетепловое радиоизлучение, обладают преимущественно эллиптической формой, встречаются и спиральные. Радиогалактики - это галактики, у которых ядра находятся в процессе распада. Выброшенные плотные части, продолжают дробиться, возможно, образуют новые галактики - сестры, или спутники галактик меньшей массы. При этом скорости разлета осколков могут достигать огромных значений. Исследования показали, что многие группы и даже скопления галактик распадаются : их члены неограниченно удаляются друг от друга, как если бы они все были порождены взрывом. Галактики - сверхгиганты имеют светимости, в 10 раз превышающие светимость Солнца, квазары в среднем еше в 100 раз ярче; слабейшая же из известных галактик - карликов сравнимы с обычными шаровыми звездными скоплениями в нашей галактике. Их светимость составляет около 10 светимости солнца. Размеры галактик весьма разнообразны и колеблются от десятков парсек до десятков тысяч парсек. Пространство между галактиками, особенно внутри скоплений галактик, по-видимому, содержит иногда космическую пыль. Радиотелескопы не обнаруживают в них ощутимого количества нейтрального водорода, но космические лучи, пронизывают его насквозь так же, как и в электромагнитное излучение. Галактика состоит из множества звезд различных типов, а также звездных скоплений и ассоциаций, газовых и пылевых туманностей и отдельных атомов и частиц, рассеянных в межзвездном пространстве. Большая часть их занимает об"ем линзообразной формы поперечником около 30 и толщиной около 4 килопарсек (соответственно около 100 тысяч и 12 тысяч световых лет). Меньшая часть заполняет почти сферический об"ем с радиусом около 15 килопарсек (около 50 тысяч световых лет). Все компоненты галактики связаны в единую динамическую систему, вращающуюся вокруг малой оси симметрии. Земному наблюдателю, находящемуся внутри галактики, она представляется в виде Млечного Пути (отсюда и ее название - "Галактика") и всего множества отдельных звезд, видимых на небе. Звезды и межзвездная газо-пылевая материя заполняют объем галактики неравномерно : наиболее сосредоточены они около плоскости, перпендикулярной оси вращения галактики и составляющейся плоскостью ее симметрии (так называемой галактической плоскостью). Вблизи линии пересечения этой плоскости с небесной сферой (галактического экватора) и виден Млечный Путь, средняя линия которого представляет собой почти большой круг, так как Солнечная система находится недалеко от этой плоскости. Млечный Путь представляет собой скопление огромного количества звезд, сливающихся в широкую белесую полосу; одноко звезды, проектирующиеся на небе рядом, удалены друг от друга в пространстве на огромные расстояния, исключающие их столкновения, несмотря на то, что они движутся с большими скоростями (десятки и сотни км/сек) в направлении полюсов галактики (ее северный полюс находится в созвездии Волос Вероники). Общее количество звезд в галактике оценивается в 100 миллиардов. Межзвездное вещество рассеяно в пространстве также не равномерно, концентрируясь преимущественно вблизи галактической плоскости в виде глобул, отдельных облаков и туманностей (от 5 до 20 - 30 парсек в поперечнике), их комплексов или аморфных диффузных образований. Особенно мощные, относительно близкие к нам темные туманности представляются невооруженному глазу в виде темных прогалин неправильных форм на фоне полосы Млечного Пути; дефицит звезд в них является результатом поглащения света этими несветящимися пылевыми облаками. Многие межзвездые облака освещены близкими к ним звездами большой светимости и представляются в виде светлых туманностей, так как светятся либо отраженным светом (если состоят из космических пылинок) либо в результате возбуждения атомов и последующего испускания ими энергии (если туманности газовые). Наши дни с полным основанием называют золотым веком астрофизики - замечательные и чаще всего неожиданные открытия в мире звезд следуют сейчас одно за другим. Солнечная система стала прследнее время предметом прямых экспериментальных, а не только наблюдательных исследований. Полеты межпланетных космических станций, орбитальных лабораторий, экспедиции на Луну принесли множество новых конкретных знаний о Земле, околоземном пространстве, планетах, Солнце. Мы живем в эпоху поразительных научных открытий и великих свершений. Самые невероятные фантазии неожиданно быстро реализуются. С давних пор люди мечтали разгадать тайны Галактик, разбросанных в беспредельных просторах Вселенной. Приходится только поражаться, как быстро наука выдвигает различные гипотезы и тут же их опровергает. Однако астрономия не стоит на месте : появляются новые способы наблюдения, модернизируются старые. С изобретением радиотелескопов, например, астрономы могут 'заглянуть' на расстояния, которые еще в 40-x. годах ХХ столетия казались недоступными. Однако надо себе ясно представить огромную величину этого пути и те колоссальные трудности, с которыми еще предстоит встретится на пути к звездам. Нашу галактику называют просто Галактикой. Она имеет средние размеры и состоит примерно из 150 − 200 млрд звезд, включая Млечный путь (древнее название полосы звезд на небе, отмечающих плоскость нашей Галактики), и представляет собой огромный диск, который состоит из звезд и звездных скоплений, вращающихся в пространстве, подобно гигантскому колесу. Звезды, входящие в Галактику, описывают вокруг ее центра окружности разного диаметра (рис. 1).

Рис. 1 Схема Галактики (крестиком обозначено положение Солнца): а) вид сверху; б) вид сбоку (черные точки изображают шаровые скопления) Звёзды и межзвёздная газопылевая материя заполняют объём галактики неравномерно: наиболее сосредоточены они около плоскости, перпендикулярной оси вращения галактики и являющейся плоскостью её симметрии (т. н. галактической плоскостью). Вблизи линии пересечения этой плоскости с небесной сферой (галактического экватора) и виден Млечный Путь, средняя линия которого представляет собой почти большой круг, т. к. Солнечная система находится недалеко от этой плоскости. Млечный Путь представляет собой скопление огромного количества звёзд, сливающихся в широкую белёсую полосу; однако звёзды, проектирующиеся на небе рядом, удалены друг от друга в пространстве на огромные расстояния, исключающие их столкновения, несмотря на то, что они движутся с большими скоростями (десятки и сотни км/сек) в разных направлениях. Наименьшая плотность распределения звёзд в пространстве (пространственная плотность) наблюдается в направлении полюсов галактики (её северный полюс находится в созвездии Волос Вероники). Общее количество звёзд в галактике оценивается в 100 млрд. Межзвёздное вещество рассеяно в пространстве также неравномерно, концентрируясь преимущественно вблизи галактической плоскости в виде глобул, отдельных облаков и туманностей (от 5 до 20—30 парсек в поперечнике), их комплексов или аморфных диффузных образований. Особенно мощные, относительно близкие к нам тёмные туманности представляются невооруженному глазу в виде тёмных прогалин неправильных форм на фоне полосы Млечного Пути; дефицит звёзд в них является результатом поглощения света этими несветящимися пылевыми облаками. Многие межзвёздные облака освещены близкими к ним звёздами большой светимости и представляются в виде светлых туманностей, т. к. светятся либо отражённым светом (если состоят из космических пылинок), либо в результате возбуждения атомов и последующего испускания ими энергии (если туманности газовые). Полная масса галактики, включая все звёзды и межзвёздное вещество, оценивается в 1011 масс Солнца, т. е. около 1044 г. Как показывают результаты детальных исследований, строение галактики схоже со строением большой галактики в созвездии Андромеды, галактики в созвездии Волос Вероники и др. Однако, находясь внутри галактики, мы не можем видеть всю её структуру в целом, что затрудняет её изучение. Галактика имеет резко выраженное подсистемное строение; различают три подсистемы: плоскую, промежуточную и сферическую. Плоская подсистема характеризуется наличием молодых горячих звёзд, переменных звёзд типа долгопериодических цефеид, звёздных ассоциаций, рассеянных звёздных скоплений и газо-пылевого вещества. Все они сосредоточены у галактической плоскости в форме экваториального диска (толщиной 1/20 поперечника галактики). Средний возраст звёздного населения диска около 3 млрд. лет. Слабее концентрируются к плоскости галактики жёлтые и красные звёзды-карлики и звёзды-гиганты, занимающие объём в виде сильно сплюснутого эллипсоида. Все субкарлики, жёлтые и красные гиганты, переменные звёзды типа короткопериодических цефеид и шаровые звёздные скопления образуют сферическую составляющую (иногда называется гало), заполняя сферический объём (со средним диаметром, превышающим 30 тыс. парсек, т. е. 100 тыс. световых лет) с резким падением плотности в направлении от центральных областей к периферии. Её возраст более 5 млрд. лет. Объекты различных составляющих отличаются друг от друга также и скоростями движения, и химическим составом. Звёзды плоской составляющей имеют большие скорости движения относительно центра галактики и они богаче металлами. Это указывает на то, что звёзды разных типов, относящиеся к разным подсистемам, формировались при различных начальных условиях и в различных областях пространства, занимаемого галактическим веществом. Вся галактическая система погружена в обширную газовую массу, которую иногда называют галактической короной. Из центральной области галактики распространяются вдоль галактической плоскости спиральные ветви, которые, огибая ядро и разветвляясь, постепенно расширяются, теряя яркость. Спиральной структурой, оказавшейся весьма характерным свойством галактик на некотором этапе их эволюции, галактика сходна с множеством др. звёздных систем того же типа, что и она, имеющих такой же звёздный состав. В развитии спиральной структуры, по-видимому, играют роль гравитационные силы и магнитогидродинамические явления, при этом на неё влияют и особенности вращения галактики. Вдоль спиральных ветвей происходит звездообразование и они населены наиболее молодыми галактическими объектами. Вопросы эволюции галактики в целом или отдельных её составных элементов имеют большое мировоззренческое значение. В течение долгого времени господствовал взгляд об одновременном образовании всех звёзд и др. объектов галактики. Такой взгляд связывался с признанием единовременного происхождения всех галактик в одной точке Вселенной и их последующего «разбегания» в разные стороны от неё. Однако детальные исследования, основанные на многочисленных наблюдениях, привели к заключению (советский астроном В. А. Амбарцумян), что процесс звёздообразования продолжается и в настоящую эпоху. Проблема происхождения и развития звёзд в галактике является фундаментальной проблемой. Существуют две главные, но противоположные точки зрения на формирование звёзд. Согласно первой из них, звёзды образуются из газовой материи, в значительном количестве рассеянной в галактике и наблюдаемой оптическими и радиоастрономическими методами. Газовое вещество там, где его масса и плотность достигают достаточно большой величины, сжимается и уплотняется под действием собственного притяжения, образуя холодный шар. В процессе дальнейшего сжатия температура внутри него, однако, повышается до нескольких млн. градусов; этого достаточно для возникновения термоядерных реакций, которые вместе с процессами излучения и обусловливают дальнейшую эволюцию этого шара —звезды. Согласно второй точке зрения, звёзды образуются из некоторого сверхплотного вещества. Сверхплотное вещество такого рода ещё не обнаружено и его свойства неизвестны, но то обстоятельство, что в наблюдаемой Вселенной процессы истечения масс из звёзд, деления и распада систем наблюдаются во многих случаях, процессы же образования звёзд из межзвёздного вещества не наблюдаются, говорит в пользу второй точки зрения. Предполагается, что галактика в целом развилась в процессе конденсации первичного газового облака, богатого водородом; образовавшиеся при этом звёзды в нашу эпоху наблюдаются как звёзды сферической составляющей, бедные металлами и имеющие наибольший возраст. Первичное газовое облако, продолжая сжиматься под действием гравитационных сил, обогащалось металлами за счёт выбрасывания вещества из недр ранее образовавшихся звёзд, в которых уже в течение многих сотен млн. лет шли внутриядерные реакции и водород превращался в более тяжёлые элементы. Поэтому более позднее «поколение» звёзд, образовавшее диск галактики, оказалось более богатым металлами. Эта концепция объясняет наблюдаемое распределение скоростей звёзд и расслоение последних по подсистемам. Тем не менее в изложенной картине остаётся немало противоречий. Еще задолго до того, как были установлены огромные расстояния до галактик, человечество постоянно задавалось вопросом: «есть ли граница мира и если есть, то что за ней?». Учение о мире как целом составляет предмет космологии. По этому поводу вправе высказываться и философия, и математика, в которой трактуется понятие бесконечности, и астрономия, изучающая конкретные небесные тела. Вопрос этот оказывается очень сложным и многогранным. Философия диалектического материализма утверждает, что материя и ее движение вечны, хотя и меняют форму. В бесконечном многообразии явлений в природе, явлений всегда материальных, теперь едва ли сомневается кто-либо из естествоиспытателей, хотя защитники идеализма и пытаются всякое новое, еще не понятное явление природы истолковать идеалистически. В этом они терпят, однако, неудачу с каждым продвижением науки вперед. Сейчас, по-видимому, мало кто из ученых допускает, чтобы Вселенная имела границу — «стенку», в которую можно упереться. Однако вопрос о том, конечна ли Вселенная и каковы свойства пространства, в котором мы живем, можно попытаться проверить путем наблюдений в Космосе.[7] В школе изучают евклидово пространство, в котором две прямые никогда не пересекаются. Но наш великий математик Лобачевский показал, что мыслимо пространство с другими свойствами. Позднее Эйнштейн доказал в своей теории относительности, что реальное физическое, а не абстрактное пространство, заполненное материей, может иметь кривизну, обусловленную существованием материи. Советский ученый А. А. Фридман, а за ним другие ученые математически разработали модели вселенных, опирающихся на теорию относительности. Таких моделей создано немало и большинство их — это модели безграничной, но конечной Вселенной. Сочетание безграничности и в то же время конечности поясняют обычно на грубом примере шара. У него нет границ для двухмерного существа, могущего перемещаться только по поверхности шара. В то же время размер поверхности шара конечен. Размеры шара могут увеличиваться, уменьшаться или пульсировать, оставаясь конечными. Свойства конечной Вселенной теоретически зависят от средней плотности вещества в ней, от степени однородности этой плотности от места к месту. Обращаясь к наблюдения, мы можем изучать пока только часть Метагалактики, которую часто и неосновательно отождествляют со Вселенной в целом.[8] Мы узнали, что галактики удаляются друг от друга, судя по красному смещению в их спектрах, и тем быстрее, чем они друг от друга дальше. Мы имеем некоторые сведения о массах галактик и об их распределении в пространстве. Очевидно, Метагалактика расширяется, но какая модель Вселенной больше всего на это похожа? Оказывается, что это можно выяснить, если установить связь величины красного смещения с расстоянием до галактики, если его определить другим независимым путем (а не по величине того же красного смещения. Для той же цели может служить и распределение очень далеких галактик (или источников радиоизлучения) в пространстве.[9] Расстояние до скоплений галактик, как мы говорили, можно определить по видимому блеску ярчайших галактик в них. Результаты наблюдений сравниваются с выводами теории для разных моделей Вселенной. Современное наше проникновение в глубину Метагалактики и точность наших данных еще недостаточны для уверенного, окончательного вывода. Все же большинство ученых склоняется сейчас к выводу, что Метагалактика конечна и расширяется с замедлением, которое создает взаимное тяготение. Вероятно, существует пульсация если не Вселенной, то Метагалактики, и когда-либо расширение сменится сжатием. Из факта расширения Метагалактики можно сделать вывод, что несколько миллиардов лет назад ее объем был так мал, что галактики не могли существовать как отдельные объекты. Это, конечно, не означает, что тогда и было «сотворение мира», как хотят заключить идеалисты. Просто тогда вещество существовало в иной форме. Возможности превращения вещества безграничны и оно не всегда было и не всегда будет существовать в тех видах, в каких мы наблюдаем его вокруг себя сейчас.

Гулыга А.В. Кант. - 2-е изд. - М., Мол. гвардия, 1981.
Данлоп С. Азбука звездного неба. М., “Мир”, 1990.
ЗасоваА.В. «Космология и наблюдения». М., 1985.
Зельманова А.Л. «Метагалактика и Вселенная». М., 1982.
История астрономии: Пер. с англ. / А. Панненкук.—М.: Наука, 1966.—592 с.: ил.
Кант И. Сочинения в шести томах. М., 1963 - 1966.,Т.2.
Киппенхан р. 100 миллиардов солнц. М., “Мир”, 1990.
Нарский И.С. Кант. М., 1976.
О системах галактики / М. Б. Сизов.—М.: Прометей, 1992.—16 с.
Происхождение и эволюция Земли и других планет Солнечной системы / А. А. Маракушев.—М.: Наука, 1992.—204 с.
Физическая модель Вселенной / Б. П. Иванов.—СПб.: Политехника, 2000.—312 с.
Эволюция солнечной системы: Пер. с англ. / Х. Альвен, Г. Аррениус.—М.: Мир, 1979.—511 с.
Энциклопедический словарь астронома., М., “Педагогика” , 1980.

[1] Кант И. Сочинения в шести томах. М., 1963 - 1966.,Т.2, стр.256.

[2] Нарский И.С. Кант. М., 1976.,стр.97-98.

[3] Гулыга А.В. Кант. - 2-е изд. - М., Мол. гвардия, 1981.,стр.44.

[4] Киппенхан р. 100 миллиардов солнц. Москва., “Мир”, 1990 г.,стр.311.

[5] Журнал “Земля и Вселенная” 1/92 ; 1/91 ; 5/92 .

[6] Энциклопедический словарь астронома., Москва, “Педагогика” , 1980 г., стр.347.

[7] Данлоп С. Азбука звездного неба., Москва, “Мир”, 1990 г.,стр.56-57.

[8] Киппенхан р. 100 миллиардов солнц. Москва., “Мир”, 1990 г.,стр.112.

[9] ЗасоваА.В. «Космология и наблюдения».,Москва, в № 4 журнала «Земля и Вселенная» за 1985 г., стр.24.

bukvasha.ru

Winamp, Skins, Plugins

Необходимые Утилиты

Текстовые редакторы

Юмор

File managers and best utilites

Каталог :: Астрономия. Галактика реферат

Реферат: Реферат: Галактики

Челябинский Государственный Университет

Факультет государственного и муниципального управления

Галактики

Реферат

По курсу: Концепция современного естествознания

Выполнил: Килундин Д.А.

Группа: УД-206

Проверил:

Клеменко Владимир Антонович

Челябинск, 2008 г.

Содержание

Введение

Основные сведения о галактиках

Что такое галактика?

Рождение галактик

Свойства галактик

Наша Галактика

Ядра галактик

Заключение

Литература

Я выбрал тему "Мир галактик, потому что она, на мой взгляд, является одной из самых актуальных и интересных тем в мире астрономии. Уже на протяжении нескольких веков, астрономы изучают мир галактик, но и по сей день, он хранит в себе много загадок и тайн. Вот именно эта загадочность галактик и натолкнула меня на выбор этой темы. И именно тот факт, что мир галактик для нас, как и для большинства людей, остается непознанным и таинственным, но в то же время чрезвычайно интересным, подтолкнул нас обратить внимание именно на выбранную проблему.

Солнце - одна из ста миллиардов звезд, образующих гигантскую звездную систему, Галактику, которая представляется нам на небе широкой полосой млечного Пути. В Галактике различают плоскую подсистему, имеющую вид диска с утолщением посередине, и сферическую подсистему, в которую этот диск погружен.

Диск Галактики и ее сферическая подсистема содержат приблизительно одинаковое число звезд. Солнце принадлежит галактическому диску и находится от его центра на расстоянии двух третей радиуса диска. Радиусы диска и сферической подсистемы близки друг другу и составляют приблизительно 3 световых года.

В диске Галактики, кроме звезд, имеется еще межзвездный газ и космическая пыль, масса которых составляет несколько процентов массы звезд; в сферической подсистеме газа и пыли практически нет. Среди звезд диска имеется заметное количество молодых ярких звезд, тогда как в сферической подсистеме такие звезды почти полностью отсутствуют. Диск Галактики вращается, причем угловая скорость вращения разная на разных расстояниях от его центра. В области, где находится Солнце, линейная скорость вращения диска составляет 220-250 км/с. Звезды диска обращаются вокруг центра по почти круговым орбитам; отклонения от кругового движения характеризуются скоростями, которые не превышают 20 км/с.

У звезд сферической подсистемы, находящихся поблизости от Солнца, скорость общего регулярного вращения вокруг центра Галактики по крайней мере раз в пять меньше, чем у звезд диска. Звезды сферической подсистемы движутся по вытянутым орбитам, их типичные скорости 200-300 км/с. Значительная часть звезд диска Галактики входит в различного рода группы. Не менее половины всех звезд входит в звездные пары, крупными образованиями являются рассеянные скопления, содержащие до тысячи звезд, связанных взаимным тяготением. Самые молодые звезды диска вместе с облаками газа и пыли располагается широкими полосами - спиральными рукавами, которые яркими широкими дугами выходят из центральной области Галактики. Распределение звезд в сферической подсистеме более или менее сферически - симметрично. Приблизительно тысячная их доля входит в большие скопления, содержащие до миллиона звезд, которые называют шаровыми скоплениями.

Звезды обеих подсистем Галактики сгущаются к центральной области - ее ядру, которое проявляет себя как источник повышенного радиоизлучения, а также инфракрасного, рентгеновского и гамма - излучения. Из ядра происходит, по-видимому, также истечение газа.

Светимость Галактики, те есть полная энергия, излучаемая всеми ее звездами в единицу времени, составляет 3*1037 Вт; Это приблизительно в сто миллиардов раз больше светимости Солнца (4*1026 Вт).

Полная масса звезд Галактики оценивается в 2*1044 г, что составляет сто миллиардов масс Солнца (2*1033 г).

В последние годы выясняется, что Галактика обладает протяженной короной, простирающейся на расстояния, в десятки раз превышающие размеры диска и сферической подсистемы. Полная масса короны в несколько раз превышает суммарную массу всех звезд Галактики, но из-за больших размеров ее плотность невелика по сравнению с плотностью, создаваемой звездами и газопылевыми облаками. Корона проявляет себя тяготением, но не излучает света и в ней не обнаруживают ни звезд, ни облаков.

Во Вселенной имеется большое число других звездных систем, галактик, подобных нашей Галактике. Галактики, обладающие дисковой подсистемой со спиральным узором, называют спиральными.

Ближайшей к нам гигантской спиральной галактикой является Туманность Андромеды. Ее масса и светимость раза в два больше, чем у нашей Галактики. Другие спиральные галактики не так массивны; чаще всего их массы составляют миллиард или десять миллиардов масс Солнца, а светимости в 10-100 раз ниже светимости Галактики.

Кроме спиральных, существуют эллиптические галактики, по своему строению и звездному населению подобные сферической подсистеме нашей Галактики. В них практически нет газопылевого вещества и молодых ярких звезд. Самые крупные эллиптические галактики имеют массу и светимость раз в десять больше, чем у нашей Галактики. Имеются и карликовые эллиптические галактики с массами и светимостями в десятки тысяч раз меньшими. Очень часто эллиптические галактики, особенно, самые массивные, имеют плотные ядра, которые по своим проявлениям обычно больше и активнее ядер спиральных галактик.

Еще один тип галактик - неправильные. Их массы и светимости в десятки раз меньше, чем у нашей Галактики. Звездный состав подобен населению дисков спиральных галактик. Но эти звезды, а также и значительные массы газопылевого вещества, не образуют регулярной структуры и не обладают выраженным общим вращением. Кроме ярких молодых звезд, в неправильных галактиках имеются еще и звезды старые, менее яркие, подобные звездам сферической подсистемы Галактики, также образующие общий сферический остов. Эти три типа галактик были впервые обнаружены и изучены Э. Хабблом и другими астрономами в двадцатые-тридцатые годы нашего века. С тех пор стали известны и галактики иных типов, не всегда укладывающиеся в первоначальную классификацию. Это относится в первую очередь к галактикам с активными ядрами и значительным радиоизлучением. Экстремальными объектами такого рада являются квазары (квазизвездный радиоисточник). В них звездная составляющая не обнаруживается; она либо вообще отсутствует, либо, что более вероятно, имеется, но незаметна на фоне огромной светимости ядра, доходящей до 1039 - 1040 Вт, что в десятки тысяч раз больше светимости Галактики. Эта энергия исходит из областей с размером 1016 - 1018 см, что в десятки и сотни тысяч раз меньше размера Галактики. Радиоизлучение квазаров сравнима по интенсивности с их оптическим излучением, а инфракрасное излучение часто и еще больше. Имеется распространенная разновидность квазаров с низким радиоизлучением; такие объекты называют квазагами, то есть квазигалактиками.

Вследствие исключительно большой светимости квазары видны на очень больших расстояниях. Самые удаленные объекты, доступные наблюдениям на современных астрономических инструментах, это именно квазары. Они как бы очерчивают границы метагалактики - наблюдаемой области вселенной. Расстояние до самых далеких квазаров оценивается тысячами мегапарсеков (1 мегапарсек (Мпк) = 1000000 пк). Свет от них идет к нам миллиарды лет.

Большая часть галактик входит в те или иные группы или скопления, насчитывающие от десятков до тысяч членов. Имеются скопления галактик относительно правильной сферической или эллипсоидальной формы. Таково, например, одно из самых больших скоплений, скопление в созвездие Волос Вероники, имеющее радиус около 4 Мпк и содержащие приблизительно десять тысяч галактик, среди которых преобладают эллиптические галактики.

Как обнаружено в последние годы, многие богатые скопления галактик содержат значительное количество горячего газа проявляющего себя рентгеновским излучением.

Температура газа достигает ста миллионов Кельвина, и он находится в состоянии плазмы, то есть в состоянии ионизации, при котором электроны оторваны от ядер.

Масса горячего газа в скоплениях сравнима с суммарной массой галактик. Судя по динамике галактик в скоплениях, эти системы содержат еще больше количества другого вещества, которое проявляет себя только создаваемым им тяготением. Скопления и группы галактик распределены в пространстве не вполне случайным образом. Местная группа галактик, в которую входит наша Галактика, галактика Андромеды и еще три десятка менее крупных объектов, образует вместе с двумя-тремя другими близкими группами галактик систему, называемую местным Сверхскоплением. Это уплощенное образование, размером до 50 Мпк, его плоскость перпендикулярна к плоскости диска нашей Галактики; центр местного Сверхскопления лежит в направлении созвездия Девы в круглом скоплении галактик, отстоящем от нас на 20 Мпк.

На крупномасштабной карте неба, на которой галактики выглядят просто точками, скопления галактик часто представляются собранными в протяженные цепочки, - вероятно, сверхскопления. Цепочки соединяются и пересекаются, складываясь в сетчатую или ячеистую структуру.

Иерархия космических структур обрывается на скоплениях и сверхскоплениях. Более крупных образований в Метагалактике нет.

Подсчитывая число галактик в больших объемах, с размерами 300 Мпк и более, содержащих много скоплений и сверхскоплений, находят их среднюю концентрацию, в пространстве, а зная массы галактик, можно оценить и среднюю плотность вещества в таких объемах. Эта плотность оказывается одинаковой, где бы на небе ни выбрать такой объем; по современным данным она составляет 3*10-31 г/см3 или, в пересчете на атомы водорода, примерно один атом на тридцать кубических метров объема.

Правда, астрономические оценки масс не очень надежны. Задача осложняется тем, что помимо светящегося вещества самих галактик, в пространстве вокруг них существуют, по-видимому, значительные массы вещества, наблюдать которые непосредственно не удается, - может быть, звезды низкой светимости или газ, или даже черные дыры. Скрытые массы проявляют себя, только тяготением, которое складывается на движении галактик в группах и скоплениях. По этим признакам оценивают связанную с ними среднюю плотность, которая, как полагают в Тартутской обсерватории, может быть в 2-3 раза или даже в 5-10 раз больше усредненной плотности галактик.

То обстоятельство, что число галактик и плотность вещества оказываются одинаковыми в достаточно больших объемах, где бы эти области ни находились, означает, что Вселенная, рассматриваемая в большом масштабе, является в среднем однородной. Это одно из фундаментальных свойств окружающего нас мира.

Далекие туманные объекты - туманности были замечены астрономами еще в XVII веке. О знаменитой туманности Андромеды впервые упомянул современник Галилея С. Мариус в 1612 году. Французский астроном Ш. Месье, известный своими открытиями комет, чтобы наблюдатели не путали кометы с туманностями, составил первый список туманностей, содержащий около ста объектов. Но лишь в 20-х годах нашего века удалось установить, что такое туманности - это гигантские звездные системы, находящиеся далеко за пределами нашей Галактики - Млечного пути.

Постепенно астронавты выяснили, что эти системы сильно отличаются по форме и размерам друг от друга, и Хаббл составил знаменитую "камертонную диаграмму" - первую классификацию галактик, которая и по сегодняшний день широко используется в наблюдательной астрономии.

Все галактики Хаббл разбил на три основные вида: эллиптические, спиральные и неправильные. Составляя диаграмму, он полагал, что в ней отражен некий механизм эволюционных переходов от одного вида к другому. Это предположение впоследствии было отвергнуто. Что же касается очевидных различий в строении колоссальных звездных систем, то они связаны, по всей видимости, с условиями образования галактик.

Большинство галактик обладает "стадным" характером: они образуют скопления, большие и малые. Малые насчитывают десятки членов, большие - тысячи. Большое скопление в Волосах Вероники содержит примерно десять тысяч галактик, главным образом эллиптических.

Размер этого огромного скопления около четырех мегапарсек.

Скопления галактик, в свою очередь, входят в состав еще более крупных структурных образований, которые называют сверхскоплениями. Эти самые крупные структурные ячейки Вселенной имеют размеры до сотни мегапарсек и массы, превышающие 1015 масс Солнца.

Именно галактики являются ключевыми элементами в структуре наблюдаемой вселенной, а проблема образования галактик и структурирование мира - один из основных вопросов в современной космологии.

Вернемся к тому моменту, когда температура расширяющейся Вселенной упала до 4000 К. После Большого Взрыва прошло около миллиона лет. В это время в нашем остывающем мире произошли существенные перемены. Для нас сейчас особенно важно то обстоятельство, что вселенная стала прозрачна для излучения. Произошло это по той причине, что электроны объединились в атомы с протонами и перестали участвовать в рассеянии фотонов. Излучение отделилось от вещества, и поэтому Вселенная стала для нас наблюдаемой.

Что это значит? Астрономия стала всеволновой. Наблюдения проводятся сейчас в широком диапазоне электромагнитных колебаний - от радиоизлучения до гамма - лучей. Естественно, чем дальше от нас находится объект, тем в более раннюю эпоху видит его астроном-наблюдатель. Свет от далеких галактик идет до Земли миллиарды лет, и мы видим это галактики такими, какими они были миллиарды лет назад.

Реликтовый фон дает сведения об эпохе отделения излучения от вещества, так как именно в это время электромагнитные колебания получили возможность свободно распространяться. Попытки наблюдения более ранней Вселенной напоминали бы попытки разглядеть что-либо в плотном тумане. Здесь речь идет, разумеется, о наблюдениях с помощью электромагнитных волн.

Что же говорит нам реликтовый фон о поле отделения излучения от вещества? Основной результат наблюдения состоит в том, что фоновое излучение однородно. В каком бы участке неба мы ни производили измерения свойств реликтового излучения, результат будет один и тот же. Но это означает, что и вещество в эпоху отделения было также очень однородным. А тогда мы снова сталкиваемся с противоречием между изначальной однородностью Вселенной и грандиозным разнообразием ее структуры.

Здесь уместно вспомнить пророческий идее Ньютона, высказанной около 300 лет тому назад в письме к ректору колледжа в Кембридже Р. Бантли. Ньютон писал: "Но если бы вещество было равномерно рассеяно по бесконечному пространству, оно никогда не собралось бы в единую массу. Часть его могла бы собраться в одну массу, а часть - в другую, так что образовалось бы бесконечное число больших масс, разбросанных по бесконечному пространству на огромных расстояниях друг от друга".

Именно эта мысль гениального Ньютона является одним из краеугольных камней современных теорий образования крупномасштабных структур вселенной.

Второе важное обстоятельство, которое мы должны принять во внимание: так называемые малые возмущения, флуктуации - небольшие отклонения от однородности и изотропии.

Постараемся понять физический смысл роста начальных флуктуаций плотности, но происхождение флуктуаций, из которых в конце концов возникает галактика, остается загадкой. Попробуем более подробно рассмотреть, какие процессы могут происходить в изначально полностью однородной и изотропной среде. Вообще говоря, такая среда не может быть устойчивой, поскольку в ней действуют различные силы.

В такой среде действует лишь одна сила - тяготение. Ведь в этой среде нет ни перепадов давления, ни потоков, ни каких-либо других неоднородных веществ. И тем не менее этой силы оказывается вполне достаточно, чтобы нарушить однородность исходной среды и создать в ней неоднородности. Именно эта сила и создает первичные "куски" вещества в измельченной однородной Вселенной.

Как это происходит? Представим себе для наглядности, что в каком-то районе среды немного повысилась ее плотность, или, иными словами, возникла флуктуация плотности. В соответствии с законом всемирного тяготения частицы среды начнут притягиваться к участку с большей плотностью и тем самым стремиться еще больше увеличить плотность этого участка.

Но мы пока не учитывали силу, которая неизбежно возникает при увеличении плотности и начнет противодействовать силе гравитации. Эта сила - перепад давления. В данном случае, именно возрастание давления прекращает в конце концов процесс сжатия.

Разумеется, схема, которую мы здесь нарисовали, чересчур упрощена, носит слишком качественный характер и может вызвать недоумение. Ведь применительно к расширяющейся Вселенной необходимо учитывать характер расширения. Кроме того, хорошо было бы знать и размеры, и массу первоначальных сгущений.

Анализ процессов гравитационной неустойчивости в однородной покоящейся среде привел к понятию "дешенсовой массы" и "дешенсова размера" (в честь Д. Дешенса - знаменитого английского астронома, занимавшегося вопросом гравитационной неустойчивости). Дешенсовая длина - это критический размер участка нашей среды, при котором сила тяготения сравнима с перепадом давления в объеме этого участка.

Дешенсова масса - это масса участка, обладающего критическим размером.

Что дает нам понятия критической длинны и массы? Флуктуация - это такое образование, которое обязано или жить и развиваться, или в конце концов исчезнуть. Статической она быть не может. Судьба флуктуации полностью определяется результатом конкурентной борьбы гравитации и перепада давления, а критическая масса и размер - количественный критерий этого результата. Естественно, что Дешенсовая длина прямо пропорциональна плотности среды.

Если размеры сгущения меньше критической длины Дешенса, то сила давления преобладает над гравитационной, и сгущение начинает расширяться. Если же размеры превышают критическую длину Дешенса, то плотность сгущений будет расти.

Качественная картина возникновения и роста сгущений справедлива лишь для бесконечной, однородной среды. Над этим работал академик Е. Лифшиц. Теория, развитая Е. Лифшицем, позволяет аккуратно и точно рассчитывать временную эволюцию сгущений и их начальную величину. Мы уже говорили о процессах конденсации влаги в атмосфере. В них велика роль флуктуации плотности. Эти флуктуации возникают из-за случайного повышения плотности воздуха в силу хаотического давления молекул газовой среды. Не представляет особенной сложности оценить величину чисто тепловой флуктуации плотности, в системе N частиц. Это может быть атмосфера, Район Вселенной, содержащий число частиц, соответствующий числу частиц в нашей Галактике (около 1068). Поскольку для любой термодинамической системы относительное значение флуктуации плотности равно 1/SQR (N), то для N=1068 относительная величина теплового возмущения плотности равна 10-34. Относительная величина возмущения плотности определяется как (Pф - Рс) /Pс, где Pф - плотность в районе возмущения, а Pc - средняя плотность среды. Но теория Лифшица требует, чтобы в момент времени равный одной секунде после Большого взрыва, во Вселенной существовали начальные возмущения, относительная величина которых никак не меньше 10-17. Казалось бы, очень маленькая величина, но она на 17 порядков превышает значение чисто тепловых флуктуаций. Именно вопрос о том, какие процессы в ранней Вселенной могли привести к появлению флуктуаций требуемой величины, мучают теоретиков уже многие годы.

Число нерешенных проблем в этой области как туман закрывают от нас таинственное происхождение галактик.

А вопрос этот принципиальный. Ведь наблюдательные данные свидетельствуют о том, что в необозримых просторах Вселенной галактики образуют огромные космические соты - сверхскоростные, окружающие гигантские "черные области" - пустоты.

Расчеты показывают, что сжатие вещества будет анизотропным. Объем может меняться от формы куба до пластины. Такую пластину назвали "блином". Первоначально изолированные друг от друга плоские "блины" очень скоро вырастают в плоские слои. Эти слои перемещаются, и в процессе их взаимодействия образуется ячеисто - сетчатая структура, где стенками пустот служат блины. Отдельные блины представляют собой сверхскопление галактик, имеющее уплощенную форму. Существуют и другие подходы к проблеме структурирования.

Теория блинов оперирует лишь со сверхструктурой Вселенной, не отвечая на вопрос о происхождении более мелких образований - галактик. Для решения этого вопроса вернемся к массе Дешенса.

Тщательный анализ эволюции возмущений плотности различных типов в нашей Вселенной показывает, что ко времени рекомбинации остается два выделенных масштаба масс: 106 и1012 солнечных масс. Массы шаровых скоплений составляют около миллиона солнечных масс, а массы наиболее массивных галактик и небольших скоплений приближаются к величине 1012 масс Солнца.

Безусловно, этот факт заслуживает внимания. Появилась очередная гипотеза, согласно которой из первичных возмущений с массой 105 - 106 масс Солнца возникло "все" - и шаровые скопления, и галактики, и скопления галактик. В этой теории существенно то обстоятельство, что масса исходного сгустка, сравнима с массой Дешенса. Поэтому, силы давления также сравнимы с силами гравитации.

Сегодня нам хорошо известно, что эллиптические образования во Вселенной не туманности, а звездные системы. Вопрос эволюции уже образовавшихся звездных систем - галактик, заставляет нас обратить внимание и на их вращение, взаимодействие друг с другом, причин морфологических различий и т.д.

Одним из достаточно сложных и интересных вопросов является проблема очень широкого диапазона масс галактик. Для объяснения этой проблемы можно предположить, что определенную роль в образовании галактик играла не только газовая орлагментация, но и слияние первичных галактик.

В процессе слияния двух галактик поначалу образуется объем совершенно неправильной формы. Но затем эти неправильности сглаживаются, и в результате образуется массивная галактика эллиптической формы. Процесс этот занимает несколько сотен миллионов лет.

В скоплениях галактик присутствует такой сверхгигантский компонент - галактика-монстр. Их радиус достигает миллиона световых лет, а светимость в 100 раз может превышать светимость нашей Галактики. Такие галактики сначала лишь ненамного превышают другие, но по мере движения по спиральной траектории к центру скопления эта галактика заглатывает более мелкие системы. Конечно, подобные процессы наблюдаются не в каждом скоплении галактик. Иногда взаимодействие галактик может иметь характер лобового столкновения. При таком столкновении центральные области одной из галактик могут быть выброшены наружу. В результате образуется кольцевая структура, представляющая собой неустойчивую, короткоживущую систему.

Не только динамика взаимодействия галактик заставляет вспомнить общее космологическое расширение. Существует еще одно немаловажное обстоятельство, связанное со строением галактик, которое может повлиять на характер расширения Вселенной.

В спиральных галактиках звезды, находящиеся в диске, обращаются вокруг общего центра масс. Движение звезд, газа и пыли, как и движение планет в Солнечной системе определяется законом всемирного тяготения. На стабильной орбите сила тяготения равна центробежной силе:

G*Mr*m m*V2*r^2

------------------ - = - ------------------ - ,

R2 r

где Mr - масса заключенная в пределах от 0 до r.

Vr - орбитальная скорость массы m. Если масса сосредоточена в центре, то изменение скорости происходит по закону Кеплера. Обычно в галактиках максимум яркости приходится на центр, а к периферии яркость быстро падает. Астрономы предполагали, что орбитальная скорость звезд должна меняться по закону Кеплера, то есть уменьшаться с увеличением расстояния от центра Галактики. В последнее время выполнены тщательные наблюдения вращающихся дисков спиральных галактик. Эти наблюдения принесли сенсационные результаты. Оказалось, что в удаленных от центра галактик районах скорость вращения не уменьшается по мере увеличения радиуса. Более того, в ряде случаев она увеличивается.

В галактиках есть невидимая масса, корректирующая скорость орбитальных движений. Невидимая масса вполне может остановить расширение Вселенной. После наблюдений, оказалось, что наличие невидимой массы - повсеместное явление.

Гигантская спиральная система, называемая Млечным Путем входит в местную систему и является одной из самых больших галактик системы. В мире галактик наш Млечный Путь занимает отнюдь не последнее место. Это гигантская галактика с диаметром диска около 100 тыс. световых лет и толщиной около 30 тыс. световых лет. Масса видимого вещества в Галактике оценивается в 1,5 * 1011 солнечных масс. Но, несмотря на впечатляющую величину массы Млечного Пути, еще большая масса невидимого вещества содержится в короне Галактики. Эта масса оценивается примерно в 1012 масс Солнца. В Галактике звезды рождаются из массивных газопылевых облаков. Сами звезды снова производят газ и пыль, которые поставляются ими в межзвездную среду. Процесс рождения звезд зависит и от космических лучей, а космические лучи, в свою очередь, производятся сверхновыми. Что собой представляют космические лучи? Это заряженные частицы очень высоких энергий. Они приходят на Землю в достаточной мере изотропно, то есть примерно в одинаковых количествах со всех направлений. Они путешествуют в Галактике около десяти миллионов лет. Составными частями нашей Галактики являются космические лучи и магнитные поля. Чрезвычайно важной компонентой Галактики является межзвездная среда. В основном это газ и пыль. Газ - межзвездный водород. Он сконцентрирован в тонком диске, образованном молодыми звездами, и образует отдельные облака. Некоторое количество газа обнаружено вне диска. Водород может присутствовать как в атомарной, так и молекулярной форме. Гигантские молекулярные облака содержат в форме молекулярного водорода значительную часть массы межзвездного газа в Галактике. Их характерный размер составляет 20-30 парсек. Его масса в сотни тысяч раз превышает массу Солнца. Таким образом, гигантские облака молекулярного водорода являются наиболее массивными изолированными объектами в Галактике.

Массу проблем ставит перед астрономами и центр Галактики. Положение осложняется тем, что центральная область Млечного Пути скрыта от нас вторым важным компонентом межзвездной среды - пылью.

Центры галактик проявляют различные формы активности, и наша Галактика не является исключением. Центральные области Галактики можно подразделить на три характерные зоны. В зоне, имеющей радиус около 4 килопарсек, наиболее интересно резкое падение плотности газа. Образуется своего рода "дырка" в газовом диске Галактики. На расстоянии от центра 600-700 парсек проходит "граница" очень интересного района, который принято называть звездным балджем (от англ. bulge - выпуклость). Эта область и по "форме" и по "содержанию" напоминает небольшую эллиптическую галактику, вкрапленную в центр Млечного Пути. Так же как эллиптическая галактика, балдж содержит в основном старые звезды, возраст которых больше среднего возраста звездного населения диска.

Наиболее загадочная область Галактики - центральный парсек. По космическим масштабам эта область невелика, но здесь наблюдаются аномалии, не имеющие пока удовлетворительного объяснения. К примеру, там находится "мини-спираль" - необычный источник радиоизлучения диаметром всего в 12 световых лет, а так же другой быстропеременный компактный радиоисточник с периодом порядка несколько минут. Этот источник расположен точно на оси вращения. В том же направлении находится совершенно необыкновенный объект, уникальный источник, излучающий узкую линию, соответствующую ассимиляции электронов и позитронов! Там же расположен точечный рентгеновский источник переменной интенсивности. Объяснить наличие всех этих источников в сравнительно маленькой области пространства можно с помощью черных дыр.

По модели Н. Кардашева, в центре Галактики должна находиться пара черных дыр. Наличие такой пары дает возможность объяснить природу и параметры компактного радиоисточника и загадочной ассимиляционной линии. Это объясняется наличием облака атомарного водорода. Такие облака были выброшены из области центрального парсека благодаря эффекту пращи. Остатки после взрыва сверхновой в массивной двойной системе (центральный парсек) так же могут служить источником позитронов, ассимиляция которых и дает наблюдаемую линию.

Перейдем теперь к проблемам, связанным с вращением Галактики. Наша Галактика вращается довольно сложным образом. Значительная часть материи Галактики вращается дифференциально. Поясним, что это такое. Хорошим примером дифференциального вращения служит вращение планет вокруг Солнца. Они движутся по своим орбитам согласно закону всемирного тяготения, и каждой планете"совершенно безразлично", как и по какой орбите двигается другая.

Есть и другой тип вращения - твердотельный. В Галактике твердотельно вращается лишь некоторый участок диска, в котором линейная скорость возрастает пропорционально радиусу.

Самым примечательным процессом в проблеме вращения является движение спиральных рукавов. В них содержится значительное количество газа и пыли, в них происходят интенсивные процессы звездообразования, молодые звезды здесь встречаются чаще, нежели в других областях Галактики. Но как и почему возникает спиральная структура?

Предположение, которое настоятельно возникает, состоит в том, что центры туманностей имеют характер сингулярных точек. В этих точках материя втекает в наш мир из некоторого иного и совершенно постороннего пространства. Тем самым обитателям нашего мира сингулярные точки представляются местами, где непрерывно рождается материя.

Сейчас мы знаем, что действительно в центрах галактик могут находиться сингулярные точки - черные дыры, что они могут по крайней мере перерабатывать материю.

В заключение хотелось бы вернуться к проблеме активности галактических ядер, поскольку эта проблема в ряде случаев тесно связана с самыми интересными и загадочными объектами Вселенной - квазарами.

В той или иной степени радиоизлучательная активность свойственна всем галактикам, и, главным образом, именно по активности в радиодиапазоне удается проследить энергетику процессов, происходящих в ядрах галактик.

До 1962 года считалось, что квазары (квазизвездные источники) расположены в пределах нашей Галактики. Эта точка зрения подкреплялась переменностью светового излучения радиоисточника 3С 48. Хорошо известно, что переменность излучения в оптике - вещь, характерная именно для звезд. Для объяснения свойств квазизвездных объектов было предложено несколько путей.

И. Циолковский предположил, что эти источники связаны с большим числом вспышек сверхновых. Ф. Хойл предложил, собрать миллионы звезд в одно сверхтело, но эта гипотеза в то время не могла перешагнуть через психологический барьер, из-за которого не допускалась в принципе возможность существования звезд с массой больше 50 масс Солнца. К тому же эти объекты должны были светить ярче целой галактики, что в то время казалось нелепостью. Но содержание идеи Хойла оказалось пророческим.

Тем временем астрономами предпринимались поистине героические попытки уточнения характеристик квазаров. Оказалось, что 3С 273 - двойной источник, причем положение компонентов было определено с точностью в 1’’. Одна из компонент оказалась обычной звездочкой 13 величины, но при внимательном анализе удалось выяснить, что из "звездочки" выходит струя длиной в 100 тысяч световых лет, которая сама является источником оптического и радиоизлучения. Анализ красного смещения линий источника 3С 273 позволил установить скорость его удаления от нас. Она оказалась огромной - 42 тысячи км/час.

Но тогда этот источник находится от нас на расстоянии около 600 мегапарсек.

Сразу же возник вопрос об интенсивности свечения этого источника в оптике. Ведь если он виден с расстояния около двух миллиардов световых лет, как звезда 13-й величины, то его светимость в сто раз превышает светимость нашей Галактики, содержащей сотни миллиардов звезд. Причем кванты квазар излучал в то время, когда Вселенная была совсем молодая.

Мы упоминали о нерешенности оптического излучения квазаров. В этом плане особенно интересен квазар 3С 279, который можно сейчас наблюдать как слабопеременную звездочку 18-й величины. Однако, на снимках, сделанных до второй мировой войны, он виден как объект почти 13 величины. Оценки показывают, что в то время 3С279 светил в десять тысяч раз сильнее нашей Галактики. Но размеры излучающей области очень малы - меньше светового года. К тому же оказалось, что и в рентгеновском диапазоне многие квазары светят в 1000 раз мощнее, чем, например, Млечный Путь.

По поводу квазаров можно сформулировать два наиболее интригующих вопроса:

Связаны ли квазары с ядрами галактик или это принципиально новый объект во Вселенной?

Какова природа чудовищного излучения квазаров?

Исследуя большие выборки квазаров, удалось установить в ряде случаев наличие у них дополнительной структуры вокруг наиболее яркого, причем иногда эта структура напоминает структуру галактик. Эти результаты убеждают нас, что квазары тем или иным образом соотносятся с ядрами галактик. Возможно, что галактики проходят через стадию квазаров, когда их ядра экстремально ярки. И тогда в ядрах других, менее ярких галактик могут находиться сейчас мертвые квазары.

Но что питает живой квазар? Каково его строение? Конечно же, при решении очередной загадки, поставленной перед нами природой, не обошлось без черной дыры.

Предполагается, что в центре квазара или в центре галактического ядра имеется компактный сверхмассивный объект - черная дыра с массой примерно в миллиард солнечных масс. Такие сверхмассивные черные дыры могут образовываться в процессе роста "обычной" черной дыры массой в несколько десятков солнечных. Впоследствии, эта дыра растет, поглощая звезды, межзвездную среду и, возможно, другие черные дыры, доводя свою массу до необходимых значений.

Затем, в результате падения газа на черную дыру, образуется аккреционный диск, вместе со всеми сопутствующими явлениями, которые могут объяснить экзотические особенности ядер галактик и квазаров.

Галактики сейчас привлекают большой интерес астрономов, чем звезды. Это можно объяснить тем, что, с одной стороны, в общих чертах свойства звезд уже понятны к сегодняшнему дню, а, с другой стороны, ввод в строй новой астрономической техники приносит все новую и часто загадочную информацию о галактиках. Физика галактик, как мы уже видели, тесно связана с космологическими проблемами, эволюцией и строением звезд, межзвездной среды. В этой области наблюдается чрезвычайно быстрый прогресс, однако, до построения общей стройной теории происхождения и эволюции галактик еще далеко.

1. Л.Э. Гуревич, А.Д. Чернин "Происхождение галактик и звезд". Издательство "Наука", 2005 г.

2. "Звезды и галактики"

3. Л. Мухин, "Мир Астрономии" Издательство "Молодая гвардия", 1997 г.

4. "Что такое галактика?"

5. "Рождение галактик"

6. "Свойства галактик"

7. "Наша Галактика"

8. "Ядра галактик"

9. Большая Советская энциклопедия.

10. Астрономический календарь.

www.neuch.ru

Реферат Астрономия Наша Галактика

I. СОСТАВ И СТРУКТУРА ГАЛАКТИКИ

1.Млечный Путь и структура Галактики. Уже к началу нашего века было известно, что те звезды, которые наблюдаются невооруженным глазом или в телескоп, образуют в пространстве сплюснутый звездный диск громадного размера. Мы находимся внутри этого диска и поэтому вблизи его плоскости видим очень много далеких звезд. Совокупность этих звезд сливается для нас в светящуюся полосу Млечного Пути. Раньше думали, что Солнце расположено вблизи центра звездной системы — Галактики, потому что яркость Млечного Пути примерно одинакова во всех направлениях, хотя в нем и существуют отдельные более яркие участки. Сейчас мы знаем, что свет самой яркой центральной области Галактики сильно ослабляется из-за поглощения межзвездной пылью. Лишь наблюдения в инфракрасных лучах, которые испытывают меньшее поглощение, позволили «увидеть» наиболее плотную центральную область нашей Галактики. Она расположена в созвездии Стрельца. Эта центральная, наиболее компактная область Галактики называется ее звездным ядром. Солнце расположено очень далеко от ядра Галактики — на расстоянии 25— 30 тыс. световых лет (8—10 кпк) — вблизи плоскости симметрии звездного диска, толщина которого составляет несколько тысяч световых лет. Ядро находится в центре звездного, диска Галактики. Часть звезд нашей Галактики не входит в состав диска, а образует сферическую составляющую (рис.1). Эти звезды концентрируются не к плоскости диска, к ядру Галактики. Диск и сферическая составляющая — основные элементы структуры нашей Галактики. Полное число звезд в Галактике можно оценить только ориентировочно. Оно составляет несколько сотен миллиардов. Лишь незначительная доля всех этих звезд доступна наблюдениям даже при помощи крупнейших телескопов. Галактика — это огромный звездный остров, диаметр которого превышает 100000 св. лет, объединяющий многие миллиарды самых различных звезд. Помимо звезд, в Галактике содержится много тел небольшой массы (например, планет) и очень неоднородная по плотности межзвездная среда (разреженный газ, пыль, космические лучи). Несмотря на большую массу. Галактика—очень разреженная система: расстояния между соседними звездами, как правило, измеряются световыми годами. 2.Звездные скопления. Хорошо известно, что звезды неравномерно распределены по небу. Например, вблизи Млечного Пути слабые звезды встречаются заметно чаще, чем вдали от него. Это не кажущийся эффект. Звезды действительно неравномерно заполняют пространство. Наиболее наглядно это проявляется в существовании групп из большого числа звезд, называемых звездными скоплениями. Примером звездных скоплений, хорошо видимых невооруженным глазом, являются скопления Плеяды и Гиады (оба в созвездии Тельца). В Плеядах нормальный глаз видит 5—7 слабых звездочек, располагающихся в виде маленького ковшика (по этому скоплению удобно проверять остроту зрения). В телескоп в Плеядах заметны сотни звезд (рис. 2). Гиады — скопление не столь компактное, как Плеяды, но оно содержит более яркие звезды. Рядом с Гиадами — красноватый Альдебаран — ярчайшая звезда в созвездии Тельца. Невооруженным глазом на небе заметно всего несколько скоплений. Но в телескоп их можно видеть сотни. Наблюдения показали, что звездный состав скоплений различен. Измеряя температуру и светимость звезд скоплений и сверяя их положение на диаграмме Герцшпрунга - Рессела с теорией звездной эволюции, удается оценить возраст скоплений. Оказалось, что некоторые скопления состоят из сравнительно молодых, некоторые — из старых звезд. Звезды внутри скопления имеют близкий возраст и, следовательно, связаны общим происхождением. Наблюдается два типа скоплений — рассеянные и шаровые. Рассеянные скопления содержат десятки, сотни, а наиболее крупные — тысячи звезд и выглядят в телескоп сверкающей россыпью. Плеяды и Гиады относятся к этому типу. Среди рассеянных скоплений встречаются как сравнительно старые, с возрастом в несколько миллиардов лет, так и очень молодые, в которых еще сохранились много голубых горячих звезд высокой светимости. Эти звезды значительно массивнее Солнца, и поэтому (как мы уже знаем) продолжительность жизни у них более короткая, чем у звезд других типов. Существование в рассеянных скоплениях таких звезд говорит о том, что образование скоплений продолжается и в наше время. Сравнительно молодым скоплением являются Плеяды: его возраст около 108 лет. Рассеянные скопления можно найти не в любой части неба. Почти все они наблюдаются вблизи Млечного Пути. Именно там, вблизи плоскости диска Галактики, наиболее активно происходит образование звезд. Шаровые скопления по размеру, как правило, больше рассеянных и содержат сотни тысяч звезд. Все они очень далеки от нас. Лишь одно-два можно заметить невооруженным глазом или в бинокль, но даже они из-за громадного расстояния видны как крошечные светящиеся пятнышки. На фотографиях шаровые скопления обычно выглядят как целый рой огромного числа звезд (рис. 3). Кажется, что в центре скопления звезды сливаются в сплошную светлую массу. Но на самом деле даже там между звездами достаточно много свободного пространства, чтобы они двигались, не сталкиваясь друг с другом. В отличие от рассеянных скоплений, в шаровых мы не наблюдаем молодых звезд. Это очень старые звездные системы. Их возраст трудно точно оценить. Основываясь на теории звездной эволюции, ученые получают оценки возраста наиболее старых скоплений в 13—18 млрд. лет. Всего в нашей Галактике известно около 150 шаровых скоплений. В отличие от рассеянных звездных скоплений, шаровые скопления слабо концентрируются к полосе Млечного Пути. Зато практически все они наблюдаются в одной половине неба, в центре которой находится созвездие Стрельца. Такая особенность распределения отражает структуру нашей звездной системы — Галактики: в созвездии Стрельца находится ее центр. Шаровые скопления, в отличие от рассеянных, относятся к сферической составляющей Галактики.

II. ДВИЖЕНИЕ ЗВЕЗД

1.Тангенциальные и лучевые скорости звезд. Звезды в Галактике непрерывно движутся. Если бы они хоть на мгновение остановились, то из-за взаимного притяжения начали бы падать к центру Галактики. Скорости, с которыми движутся звезды, составляют десятки и сотни километров в секунду, но из-за больших расстояний до звезд обнаружить их относительное движение по небу очень сложно. О движении небесного тела в космическом пространстве можно узнать двумя способами. Первый способ — наблюдение за перемещением источника на фоне очень далеких звезд. Он дает оценку не полной скорости объекта, а проекции вектора скорости на плоскость, перпендикулярную лучу зрения (рис.4). Эту составляющую называют тангенциальной скоростью Vt . Ее можно измерить лишь для сравнительно близких звезд по медленному изменению их положения на небе. Первый каталог, в котором были приведены относительные положения ярких звезд, был составлен еще во II в. до н.э. древнегреческим ученым Гиппархом. Этим каталогом пользовался Клавдий Птолемей — автор геоцентрической системы мира. В начале XVIII в. английский астроном Эдмонд Галлей сравнил наблюдавшиеся в его время положения звезд с теми, которые были приведены у Птолемея. Для нескольких ярких звезд он обнаружил заметное перемещение относительно остальных. Так впервые было доказано, что звезды движутся. Чтобы измерить тангенциальную скорость какой-нибудь звезды, при помощи специальных измерительных приборов сравнивают фотографии одного и того же участка неба, сделанные на одном и том же телескопе с промежутком времени в несколько лет или десятилетий. За этот промежуток времени близкие звезды слегка смещаются на фоне слабых, более далеких, практически неподвижных для наблюдателя звезд. Такое смещение очень мало и лишь у немногих звезд превышает одну угловую секунду в год. Зная расстояние до звезды, легко по угловому смещению найти ее тангенциальную скорость Vt.. Пусть, например, звезда, расстояние D до которой 30 св. лет, или около 3*1017 м, перемещается на угол a=0,2" в год. Следовательно, ее смещение за год равно отрезку длиной D*sin a =3*1011 м. Значит, тангенциальная скорость составляет 3*1011 м в год, или около 10 км/с. Второй способ оценки скорости звезд основан на измерении смещения линий в их спектрах, определяемого эффектом Доплера. Этот способ позволяет найти проекцию вектора скорости звезды на луч зрения, или лучевую скорость звезды Vr(рис. 4). Полная скорость звезды вычисляется через тангенциальную Vt и лучевую Vr по теореме Пифагора: . Измерения показали, что большинство звезд, сравнительно близких к Солнцу, движется относительно него со скоростями, не превышающими 30 км/с. Из-за движения звезд вид звездного неба со временем должен меняться. Одни звезды приближаются к нам и в будущем станут более яркими, другие навсегда удаляются от Солнечной системы. Изменяется и их положение на небе. Но этот процесс происходит настолько медленно, что нужны многие сотни лет, чтобы перемещение даже ближайших звезд стало заметным на глаз. 2.Вращение Галактики. Когда были измерены скорости движения большого числа звезд — как близких, так и далеких от Солнца,— выяснилась общая картина их движения. Оказалось, что звезды галактического диска обращаются вокруг ядра Галактики в одну и ту же сторону по орбитам, близким к круговым. Скорость их движения вокруг ядра в окрестности Солнца составляет почти 250 км/с. Вместе с ними движется и Солнце. Разделив длину окружности радиусом, равным расстоянию до центра Галактики, на скорость, легко найти, что полный период обращения Солнца в Галактике составляет примерно 200 млн. лет.

Зная скорость обращения и радиус круговой орбиты, можно вычислить массу внутренней части Галактики, используя формулу для круговой скорости : Подставляя известные нам числовые значения V=2.5*105 м/с,R=3*1020 м и G=6,7*1011 Н* м2/кг2, получаем, что M=2,8*1041 кг, или около 140 млрд. масс Солнца. Такую массу имеет все вещество Галактики, находящееся ближе к ее центру, чем Солнце. Звезды и скопления звезд сферической составляющей движутся по-иному, не так, как звезды диска. Их орбиты сильно вытянуты и наклонены к плоскости диска под все возможными углами (рис. 5) Такие звезды имеют относительно Солнца очень большие скорости (до 200—300 км/с). Но относительно центра Галактики средние скорости звезд как сферической составляющей, так и диска приблизительно одинаковы. Как мы видим, движение звезд в Галактике напоминает движение тел Солнечной системы. Действительно, планеты, как и звезды диска, движутся вокруг центра в одну сторону и примерно в одной плоскости, а кометы, как и звезды сферической составляющей, движутся по вытянутым орбитам в самых различных плоскостях.

III. МЕЖЗВЕЗДНАЯ СРЕДА

1.Межзвездный газ. В состав нашей Галактики входят не только звезды. Наблюдения показали, что межзвездное пространство нельзя считать абсолютно пустым. Основная масса межзвездной среды приходится на разреженный газ. Этот газ обладает способностью слабо светиться, если горячие звезды освещают его ультрафиолетовым светом, и излучать потоки радиоволн, которые можно уловить радиотелескопами. Межзвездный газ имеет примерно такой же химический состав, как и большинство наблюдаемых звезд. Он преимущественно состоит из легких газов (водорода и гелия). Большая часть межзвездного газа сосредоточена в пределах диска Галактики, где межзвездная среда образует вблизи плоскости симметрии диска газопылевой слой толщиной в несколько сотен световых лет. В пределах этого слоя находится и наше Солнце с окружающими его звездами. Газопылевой слой вместе со звездами диска принимает участие во вращении Галактики. Даже вблизи плоскости звездного диска концентрация частиц газа очень мала. У поверхности Земли, например, в 1 см3 содержится 3*10 19 молекул воздуха, а в межзвездном газе на два кубических сантиметра приходится в среднем только один атом газа. Но межзвездный газ занимает такие большие объемы пространства, что его полная масса в Галактике достигает нескольких процентов от суммарной массы всех звезд. Газ в межзвездном пространстве наблюдается в трех состояниях: ионизованном, атомарном и молекулярном. Ионизованный газ. Горячие звезды мощным ультрафиолетовым излучением нагревают и ионизуют окружающий межзвездный газ. Нагретый газ излучает свет, и поэтому области, заполненные горячим газом, наблюдаются как светящиеся облака. Они называются светлыми газовыми туманностями. Температура газа в них составляет около 10000 К. Самая заметная туманность расположена в созвездии Ориона и называется туманностью Ориона. В сильный бинокль или небольшой телескоп она видна как бесформенное облачко со слабым зеленоватым свечением. Это облако состоит из горячего ионизованного газа, масса которого оценивается примерно в тысячу масс Солнца. Атомарный газ. Основная масса межзвездного газа в диске Галактики удалена от горячих звезд и поэтому не ионизована и не излучает свет. Но такой «невидимый» газ все же можно наблюдать радиоастрономическими методами. Было доказано (вначале теоретически, а затем подтверждено наблюдениями), что атомы водорода, входящие в состав межзвездного газа, излучают радиоволны с длиной волны 0,21 м (с частотой 1420 МГц). Радиоизлучение нейтрального межзвездного водорода было обнаружено в 1951 г. Многочисленные измерения его интенсивности позволили установить общую массу газа в Галактике. Атомарный газ распределен в пространстве неоднородно. Он образует облака, между которыми газ более разрежен. Типичные размеры облаков достигают нескольких десятков световых лет, а средняя концентрация частиц в них — несколько атомов в 1 см3. Молекулярный газ. Радионаблюдения обнаружили в межзвездном пространстве в тысячи раз более плотные облака, состоящие из очень холодного газа, температура которого не превышает 20—30 К. Из-за низкой температуры и повышенной плотности водород и другие элементы в этих облаках объединены в молекулы. Поэтому их называют молекулярными. В основном они состоят из молекул h3. Молекулы водорода, в отличие от, атомов, не испускают радиоизлучения. Зато многие другие молекулы, входящие в состав облаков, излучают радиоволны на определенных частотах. По радиоизлучению в молекулярных облаках было найдено несколько десятков молекулярных соединений, например СО, СО2, h3O, NН3. Имеются и более сложные молекулы — формальдегида, этилового и метилового спирта и др. Молекулы могут возникать и существовать только в наиболее плотных газовых облаках. В разреженной межзвездной среде под действием ультрафиолетового излучения звезд они быстро распадаются. Масса многих молекулярных облаков превышает 100 тыс. масс Солнца. Это самые массивные образования в диске Галактики. Полагают, что в молекулярных облаках происходит зарождение звезд из газа. Существует и обратный процесс — в межзвездную среду непрерывно поступает газ, «сбрасываемый» звездами. Мы уже знаем, что звезды, вспыхивающие как новые и сверхновые, теряют часть своей массы. Но и у обычных звезд, таких, как Солнце, на определенном этапе эволюции (после превращения в красный гигант) происходит отделение газовой оболочки, которая, медленно расширяясь, уходит в межзвездное пространство. Такие расширяющиеся оболочки известны у сотен звезд. Они называются планетарными туманностями (рис. 6). В центре планетарной туманности всегда наблюдается звезда. Причина свечения этих объектов та же, что и у светлых газовых туманностей,— ионизующее ультрафиолетовое излучение горячей звезды. 2. Межзвездная пыль. В середине прошлого века известный русский астроном В. Я. Струве обосновал предположение, что межзвездное пространство не абсолютно прозрачно; свет в нем может поглощаться и рассеиваться, вследствие чего далекие звезды выглядят слабее, чем можно ожидать. Газ практически не поглощает видимого излучения. Поэтому, помимо газа, межзвездная среда должна содержать пыль. Окончательно существование поглощения света в межзвездной среде было доказано в 30-х годах нашего века. В случае сравнительно близких звезд поглощение почти незаметно: чтобы световой поток был ослаблен межзвездной средой всего лишь на один процент, свету требуется пройти расстояние в несколько десятков световых лет. Но если расстояние до звезд измеряется тысячами световых лет, то межзвездная среда ослабляет приходящий от них свет и несколько раз. Межзвездная среда не только ослабляет свет далеких звезд, но еще и вызывает изменение их цвета. Звезды, свет которых испытал сильное ослабление, кажутся нам более красными. Это происходит потому, что лучи красного света меньше поглощаются и рассеиваются межзвездными пылинками, чем синие. Измеряя ослабление света звезд на различных длинах волн, можно судить о свойствах межзвездной пыли. Выяснилось, что межзвездные пылинки очень мелкие — размером около 0,5 мкм. Они состоят в основном из углерода, кремния и «намерзших» на них молекул межзвездного газа. В межзвездном пространстве пыль везде сопутствует газу. На ее долю приходится около 1% от массы газа. Поэтому концентрация пыли всегда выше, а прозрачность среды ниже там, где много газа. Это хорошо видно на примере молекулярных облаков — самых плотных газовых облаков в межзвездной среде. Из-за присутствующей в них пыли они практически непрозрачны и выглядят на небе как темные области, почти лишенные звезд. Редкие звездочки, просвечивающие сквозь их менее плотные части, кажутся сильно покрасневшими. Газопылевые образования, которые из-за низкой прозрачности выглядят как темные области, называются темными туманностями (рис. 7). В ясную ночь, наблюдая Млечный Путь даже невооруженным глазом, можно заметить, что он имеет неровные очертания, а в созвездии Лебедя даже разделяется на два параллельно идущих рукава. Это наглядный результат проекции на Млечный Путь темных туманностей, большинство которых находится вблизи плоскости Галактики. Происхождение пыли не вполне еще ясно. Теоретические расчеты и наблюдения показали, что пылинки могут конденсироваться в атмосферах холодных звезд, откуда давление излучения должно выталкивать их в межзвездное пространство. 3. Космические лучи и межзвездное магнитное поле. Помимо разряженного газа и пыли, в межзвездном пространстве с огромной скоростью, близкой к скорости света (300 000 км/с), движется большое число элементарных частиц и ядер различных атомов. Эти частицы летят по всей нашей Галактике в самых различных направлениях. Они называются космическими лучами. Частицы космических лучей удается регистрировать непосредственно при помощи специальных физических приборов — счетчиков быстрых частиц, устанавливаемых на космических аппаратах. Сквозь атмосферу Земли космические лучи пробиться не могут. Сталкиваясь с атомами земной атмосферы, они разбивают их, рождая целые ливни из элементарных частиц. Лишь небольшой процент космических частиц избегает столкновений в атмосфере и достигает Земли высоко в горах. Поэтому в различных странах организованы специальные высокогорные станции по наблюдению и исследованию космических лучей. Не все космические частицы приходят к нам из межзвездных глубин. Многие имеют солнечное происхождение. Они рождаются главным образом при солнечных вспышках. Однако самые быстрые частицы, летящие с околосветовой скоростью и обладающие огромной энергией, приходят в Солнечную систему из далеких просторов Галактики. Основными источниками космических лучей в Галактике считаются остатки сверхновых звезд и пульсары — быстро вращающиеся и сильно намагниченные нейтронные звезды. Мы уже знаем, что остатки сверх новых звезд являются мощными источниками синхротронного радио излучения, которое возникает при движении быстрых электронов в магнитном поле. Но наблюдения показали, что синхротронное радиоизлучение приходит к нам и из тех областей межзвездного пространства, где остатков сверхновых звезд нет. Следовательно, и между звездами существует магнитное поле, заставляющее быстрые электроны космических лучей излучать радиоволны. Исследования показали, что магнитная индукция межзвездного магнитного поля невелика: в среднем она в сто тысяч раз меньше, чем у поверхности Земли. Это поле охватывает и межзвездный газ, поэтому межзвездная среда слабо намагничена.

IV. ОБРАЗОВАНИЕ ЗВЕЗД. ПРОБЛЕМА ВОЗНИКНОВЕНИЯ ЖИЗНИ

1. Образование звезд. Наиболее массивные звезды живут сравнительно недолго — несколько миллионов лет. Если такие звезды наблюдаются, значит, образование звезд не завершилось миллиарды лет назад, а происходит и в настоящую эпоху. Звезды, масса которых многократно превышает массу Солнца, большую часть жизни обладают огромными размерами, высокой светимостью и температурой. Из-за высокой температуры они имеют голубоватый цвет, и поэтому их называют голубыми сверхгигантами. Мы уже знаем, что такие звезды, нагревая окружающий межзвездный газ, приводят к образованию газовых туманностей. За свою сравнительно короткую жизнь массивные звезды не успевают очень далеко уйти от тех мест, где они родились. Поэтому светлые газовые туманности и голубые сверхгиганты указывают нам на положение тех областей в Галактике, где недавно происходило или происходит и сейчас образование звезд. Оказалось, что молодые звезды не распределены в пространстве случайным образом. Существуют обширные области, где они совсем не наблюдаются, и районы, где их сравнительно много. Больше всего голубых сверхгигантов наблюдается в области Млечного Пути, т. е. вблизи плоскости Галактики, там, где концентрируется газопылевая межзвездная среда. Но и вблизи плоскости Галактики молодые звезды распределены неравномерно. Они почти никогда не встречаются поодиночке. Чаще всего эти звезды образуют рассеянные скопления и более разреженные звездные группировки больших размеров, названные звездными ассоциациями, которые насчитывают десятки, а иногда и сотни голубых сверхгигантов. Самые молодые из звездных скоплений и ассоциаций имеют возраст менее 10 млн. лет. Почти во всех случаях эти молодые образования наблюдаются в областях повышенной плотности межзвездного газа. Это указывает на то, что процесс звездообразования связан с межзвездным газом. Примером области звездообразования является гигантский газовый комплекс в созвездии Ориона. Он занимает на небе практически всю площадь этого созвездия и включает в себя большую массу нейтрального и молекулярного газа, пыли и целый ряд светлых газовых туманностей. Образование звезд в нем продолжается и в настоящее время. Согласно наиболее разработанной гипотезе, звезды возникают из облаков холодного межзвездного газа. Однако завершенной и общепринятой теории образования звезд пока еще не создано. Ученые усиленно работают над этой проблемой. Познакомимся с основными принципами, на которых базируются представления о формировании звезд из газопылевой среды. Конденсация газа в звезды в определенном смысле напоминает другой физический процесс: конденсацию водяного пара в капельки воды при его охлаждении. И в том и в другом случае происходит многократное увеличение плотности вещества. Но если конденсация пара совершается в результате взаимодействия молекул, то межзвездный газ сжимается прежде всего благодаря действию гравитации. Поэтому конденсация газа в звезды называется гравитационной конденсацией. Сила гравитационного притяжения между отдельными частицами всегда стремится сжать газ. Сжатию обычно препятствует сила внутреннего давления газа, связанного с хаотическими движениями его частиц — атомов или молекул. Чем меньше температура газа, тем меньше его давление и тем большую роль может играть притяжение отдельных частиц друг к другу. В обычных облаках межзвездного газа силы гравитации очень малы по сравнению с силами внутреннего давления. Но в холодных плотных молекулярных облаках гравитация оказывается сильнее, и образующиеся отдельные сгустки газовой среды должны сжиматься, увеличивая свою плотность. Конечным результатом такого сжатия может явиться образование звезд. Сжатие газа полностью прекратится, когда в центре сжимающегося газового шара температура и давление станут настолько высокими, что начнутся термоядерные реакции. В результате образуется звезда. Первое время свет молодой звезды может очень сильно поглощаться плотной окружающей газопылевой средой, и тогда звезда и нагретая ею пыль будут наблюдаться как инфракрасный источник, потому что для инфракрасных лучей среда значительно прозрачнее. Такие источники были обнаружены в областях звездообразования. По-видимому, некоторые из них являются недавно сформировавшимися звездами. Формирование звезд из газа — процесс очень медленный, он требует многих миллионов лет. Солнце, как мы знаем, является типичной звездой. Поэтому и при образовании других звезд могут возникать планетные системы. Планеты и малые тела Солнечной системы возникли в газопылевом протопланетном диске, окружавшем молодое Солнце. Вместе с другими планетами возникла и Земля. Первоначально ее атмосфера и физические условия на поверхности были совсем не такими, как сейчас. Температура была значительно выше, а атмосфера содержала очень много углекислого газа. Никакой жизни на Земле в то время не могло существовать. И лишь спустя несколько миллиардов лет после своего формирования Земля стала похожа на современную планету. 2. Проблема жизни во Вселенной. Физические условия на древней Земле оказались такими, что оказалось возможным возникновение сложных белковых молекул, а затем и простейших самовоспроизводящихся организмов — живых клеток. На Земле зародилась жизнь, которая за несколько миллиардов лет эволюции и усложнения организмов привела к появлению животного мира и человека. До сих пор остается неизвестным, как часто подобные события могут происходить во Вселенной. В Солнечной системе признаки жизни не были найдены ни на одном из тел помимо Земли. Но с астрономической точки зрения ни Земля как планета, ни Солнце, которое ее обогревает, не представляют ничего исключительного. Следовательно, жизнь может существовать не только на Земле. По-видимому, очаги жизни следует искать на планетных системах других звезд, но из-за большого расстояния мы пока не можем непосредственно наблюдать планеты даже у ближайших звезд. Проблема возникновения жизни и ее распространенности во Вселенной остается одной из наиболее сложных и важных проблем, решаемых астрономией в комплексе с другими естественными науками. Особенно интересным было бы обнаружить присутствие разумной жизни во Вселенной, следы высокоразвитых внеземных цивилизаций. Неоднократно предпринимались и предпринимаются попытки уловить радио- или иные сигналы разумного происхождения из космоса. Есть надежда, что они завершатся успехом.

Смотрите также

..:::Новинки:::..

Windows Commander 5.11 Свежая версия.

Новая версия
IrfanView 3.75 (рус)

Обновление текстового редактора TextEd, уже 1.75a

System mechanic 3.7f
Новая версия

Обновление плагинов для WC, смотрим :-)

Весь Winamp
Посетите новый сайт.

WinRaR 3.00
Релиз уже здесь

PowerDesk 4.0 free
Просто - напросто сильный upgrade проводника.

..:::Счетчики:::..