Галактики во Вселенной
Галактика Млечный Путь входит в семью соседних галактик, известных как Местная группа, и образует вместе с ними скопление галактик. Среди ближних галактик есть великолепные спирали. Одна из них, галактика Андромеды, является самым удаленным объектом, видимым невооруженным глазом.
Большинство галактик во Вселенной имеет либо спиральную, либо эллиптическую форму, и многие из них входят в состав галактических скоплений.
На протяжении XIX в. и в начале XX в. астрономы не знали точно, что это за туманные светлые пятнышки видны им в телескоп. Было ясно, что звезды входят в состав Млечного Пути так же, как и яркие газовые облака вроде туманности Ориона. Но в поисках комет и планет астрономы, такие, как Шарль Мессье и Уильям Гершель, обнаруживали тысячи более слабых туманностей, многие из которых были спиральными. Астрономам хотелось знать, были ли это галактики, расположенные далеко за пределами Млечного Пути, или просто облака газа в нашей Галактике. Ответить па этот вопрос удалось лишь тогда, когда был найден способ измерения расстояний до этих слабых туманностей.
В 1924 г. американский астроном Эдвин Хаббл убедительно доказал, что спиральные туманности — это гигантские галактики, подобные Млечному Пути, но безгранично удаленные от него. Одним ударом он открыл ошеломляющую огромность Вселенной.
Хаббл первым открыл п галактике Андромеды переменные звезды — цефеиды. Они были гораздо слабее, чем цефеиды Магеллановых облаков. Разница в блеске означала, что галактика Андромеды должна быть в 10 раз дальше от нас, чем Магеллановы облака.
Галактику Андромеды можно наблюдать невооруженным глазом — это самый удаленный объект, который можно увидеть без бинокля или телескопа. Бесчисленные галактики намного слабее этой и, следовательно, еще более далеки от нас. Эдвин Хаббл открыл царство галактик. В течение нескольких последующих лет он измерил расстояния до многих других спиралей и смог доказать, что даже ближайшие галактики отдалены от нас па много миллионов световых лет. Размеры наблюдаемой Вселенной намного превысили прежние догадки.
Типы галактик
Существует множество различных видов галактик. Они различаются по форме, размеру, массе и излучаемой энергии. Сначала мы рассмотрим нормальные галактики, которые черпают свою энергию, или свет, из ядерных реакций, протекающих в звездах. В следующей главе мы познакомимся с активными галактиками, источник энергии которых более экзотичен: например, это могут быть черные дыры, заглатывающие целые звезды.
Хаббл был первым, кто систематизировал нормальные галактики по их форме, подразделив их на три типа: эллиптические, спиральные и неправильные.
Эллиптические галактики более или менее напоминают лимон или мяч для регби. У них нет спиральных рукавов, а их форма может изменяться. Около трех четвертей всех галактик во Вселенной являются эллиптическими. По размеру они очень разнообразны — от карликов до сверхгигантов. Самые большие из эллиптических галактик достигают в диаметре миллионов световых лет и являются наиболее массивными из всех известных.
Среди спиральных галактик астрономы выделяют два подтипа: пересеченные спирали, у которых есть центральная перемычка из звезд, соединяющая внутренние концы двух спиральных рукавов, и нормальные спирали, у которых рукава начинаются прямо из ядра. Размеры спиралей варьируются от 20 000 до 100 000 световых лет в поперечнике. Млечный Путь по величине оказывается в черных рядах.
Небольшая доля галактик не попадает в какую-либо четкую категорию. Это неправильные галактики, многие из которых являются спутниками более крупных собратьев; таковы, в частности, дна Магелланова облака.
Независимо от формы галактики, все находящиеся в ней звезды, газовые облака и пылевые частицы образуют единую семью, удерживаемую вместе силами тяготения. Звезды внутри каждой галактики движутся по своим орбитам вокруг галактики или пересекая ее; это занимает миллионы лет. Все внутри галактик находится в непрерывном движении, по чтобы ли перемещения стали заметны наблюдателю, требуется огромное время.
Местная группа
Вглядываясь и глубокий космос, мы обнаруживаем, что галактики распределены по Вселенной равномерно. Галактики группируются вместе, образуя скопления, или семьи. Наша собственная семья называется Местной группой. Это, в общем, довольно разреженное образование. Самые крупные их них — Млечный Путь, а также спиральные галактики М31 в Андромеде и МЗЗ в Треугольнике. Млечный Путь сопровождают около девяти карликовых галактик, движущихся поблизости, а Андромеду — еще восемь. Астрономы продолжают находить в пашей Местной группе все новые слабые галактики.
Каждый член Местной группы движется под действием гравитационного притяжения всех остальных членов. Все скопления галактик удерживаются вместе гравитационным полем, которое представляет собой важнейшую из сил, действующих но Вселенной на больших расстояниях. Измеряя скорости галактик в Местной группе, астрономы могут вычислить ее общую массу.
Скопление в Деве
Если мы продолжим путешествие за пределами Местной группы, нам встретятся другие небольшие группы галактик — например, квинтет Стефана, в котором дне спиральные галактики сцепились вместе. А дал мне уже мерцают намного более крупные скопления. Громадное скопление Девы, расстояние до которого около 50 миллионов световых лег, — это ближайшее к нам большое скопление галактик. Оно слишком удалено, чтобы можно было вычислить расстояние с помощью переменных звезд. Вместо этого для расчета используют звездные величины самых ярких звезд и максимальных звездных скоплении.
Скопление Девы огромно; оно раскинулось па участке, примерно в 200 раз превышающем площадь, занимаемую на небе полной Луной! В этом гигантском скоплении насчитывается несколько тысяч членов. В центральной его части находятся три эллиптические галактики, впервые занесенные в списки Шарлем Мессье: М84, М86 и М87. Это действительно громадные галактики. Самая крупная из них, М87, но размеру сравнима со всей пашей Местной группой. Скопление Девы столь массивно, что его гравитационное действие не только удерживает вместе весь тот огромный коллектив, но и простирается вплоть до пашей Местной группы. Наша Галактика и ее компаньоны медленно движутся по направлению к скоплению Девы.
Скопление в созвездии Волосы Вероники
Двигаясь еще дальше, па расстоянии примерно в 350 миллионом световых лет мы прибываем в огромный галактический город в созвездии Волосы Вероники. Это скопление Волос Вероники, содержащее более 1000 ярких эллиптических галактик и, возможно, много тысяч более мелких членов, которые уже невозможно увидеть современными способами. Размер скопления в поперечнике достигает 10 миллионов световых лет; две сверхгигантские эллиптические галактики находятся в самой его сердцевине. Астрономы предполагают, что в этом скоплении содержатся десятки тысяч членов.
Все галактики удерживаются в скоплении силами тяготения. В таком случае скорости галактик внутри скопления указывают, что лишь несколько процентов общей массы заключено в звездах, которые нам видны. Скопление в Волосах Вероники, как и другие крупные скопления такого типа, в основном состоит из темного вещества.
В центральных областях густо населенных скоплений, подобных тому, что находится в Волосах Вероники, вряд ли имеются спиральные галактики. Возможно, это связано с тем, что спиральные галактики, которые когда-то там существовали, слились вместе, образовав эллиптические галактики. Скопление Волос Вероники является сильным источником рентгеновского излучения, испускаемого очень горячим газом с температурой от 10 до 100 миллионов градусов. Этот газ обнаружен в центральной части скопления; по своему химическому составу он близок к материалу звезд.
Возможно, что произошло следующее. Галактики, находящиеся в центральной части скопления, сталкивались друг с другом и, разлетаясь после удара, сбрасывали свои газовые облака. Газ разогревался трением, когда галактики проносились сквозь него со скоростями до тысяч километров в секунду. Поскольку галактики теряли свой гач, их спиральные рукава постепенно исчезли.
Сверхскопления и пустоты
Фотографирование глубокого космоса показывает, что по мере нашего продвижения во Вселенную галактики все появляются и появляются. Почти в любом направлении, куда бы мы ни посмотрели, обнаруживается россыпь слабых галактик, подобная пыли. Некоторые объекты обнаружены па расстоянии до 10 миллиардов световых лет. Каждая из этих бесчисленных галактик содержит миллиарды звезд. Такие числа с трудом представляют себе даже профессиональные астрономы. Внегалактическая Вселенная больше всего, что можно вообразить.
Почти все галактики находятся в скоплениях, содержащих от нескольких штук до многих тысяч членов. Но что можно сказать о самих этих скоплениях: может быть, они тоже группируются в семьи? Да, это именно так!
Местное скопление скоплений, известное как Местное сверхскопление, представляет собой уплощенное образование, в которое входят, в частности, Местная группа и скопление Девы. Центр масс расположен в скоплении Девы, а мы находимся на окраине. Астрономы приложили усилия, чтобы составить трехмерную карту Местного сверхскопления и выявить его структуру. Оказалось, что оно содержит около 400 отдельных скоплений галактик; эти скопления собраны в слои и полосы, разделенные промежутками.
Другое сверхскопление находится в созвездии Геркулеса. До пего около 700 миллионов световых лет, причем на протяжении примерно 300 миллионов световых лет по дороге к нему галактики, видимо, не встречаются вовсе.
Таким образом, астрономы установили, что сверхскопления отделены друг от друга гигантскими пустыми пространствами. Внутри сперхскоплений тоже есть как бы «пузыри» размерами в миллионы световых лет, не содержащие галактик. Сверхскопления складываются в нити и ленты, придавая Вселенной в самом грандиозном масштабе губчатую структуру.
Закон Хаббла и красное смещение
Сейчас нам известно, что наша Вселенная все время расширяется, становясь все больше и больше. Решающую роль в открытии сыграл Хаббл. Используя звезды-цефеиды, он определил расстояния до ближайших галактик, а по измерениям красного смешения установил их скорости. Открытие было сделано, когда он построил график, на котором скорости галактик были отложены в зависимости от расстояний до них. Оказалось, что взаимосвязь этих двух величин выражается па графике прямой линией: чем дальше от нас галактика, тем больше ее скорость. Закон Хаббла утверждает, что чем быстрее движется галактика, тем более она удалена. Хаббл нашел связь между двумя величинами, которые можно было измерить для ближайших галактик: между расстоянием и красным смещением (которое и лает скорость). А после того, как такая связь установлена, закон Хаббла может быть обращен и использован для обратной процедуры. Измеряя красное смещение для более далеких галактик, можно, используя закон Хаббла, вычислить и расстояние до них. Именно так астрономы узнают расстояния до далеких галактик нашей Вселенной.
Конечно, при использовании закона Хаббла существует некоторая неуверенность в правильности результата. Например, если при вычислении расстояний до ближайших галактик допущена неточность, график уже не будет абсолютно правильным: любая ошибка в нем продолжится в дальний космос, когда мы попытаемся узнать с его помощью расстояния до более удаленных галактик.
Тем не менее закон Хаббла является важнейшим методом исследования крупномасштабной структуры Вселенной.
Возраст Вселенной
Как астрономы могут определить возраст Вселенной? Возраст дерева мы узнаем, подсчитывая годовые кольца на срезе, — в год нарастает но одному кольцу. Геологи могут оцепить возраст горных пород, («севших в отложениях, но найденным в них окаменелостям Возраст Лупы удалось узнать с помощью измерений радиоактивности пород, содержащих радиоактивные элементы. Во всех этих методах так или иначе добывают нужные данные — число колец, виды окаменелостей, интенсивность оставшихся излучений — и с их помощью вычисляют возраст.
Чтобы определить возраст расширяющейся Вселенной, мы изучаем удаленность и скорости большого количества галактик. Окалывается, что с удалением на каждый миллион снеговых лег скорость галактик возрастает примерно па 20 км/с (астрономы знают это число не вполне точно, с допуском и 2—3 км/с). Зная, как изменяется скорость с расстоянием, мы можем под считать, что 17 миллиардов лет назад вся материя находилась и одном и том же месте. Это и есть один из способом определения возраста Вселенной, гак как ее возраст — это время, прошедшее после Большого взрыва, когда началось расширение.
|
|
Читайте в рубрике «Галактики Вселенной»: |