Лекция 3. Строение Вселенной. Галактики, виды галактик. Галактика Млечный путь

Строение Вселенной

Наличие МКС (международной космической станции), строительство обсерваторий с мощными телескопами дало возможность изучать космос, и получить хоть какое-то представление о Вселенной. В предыдущей лекции мы говорили о различных теориях возникновения Вселенной, и выяснили, что наиболее вероятной считается теория Большого взрыва, согласно которой Вселенная расширяется и в наши дни. 

Вселенная — это весь существующий матери­альный мир, безграничный во времени и пространстве и бесконечно разнообразный по формам, ко­торые принимает материя в процессе своего раз­вития. Часть Вселенной, доступная исследованию астрономическими средствами, соответствующи­ми достигнутому уровню развития науки, называется Метагалактикой. 

Структура Вселенной — предмет изучения космо­логии, одной из важных отраслей естествознания, на­ходящейся на стыке многих естественных наук: аст­рономии, физики, химии и др. 

То, что Вселенная расширяется подтвердил в 1929 г. американский астроном Э. Хаббл, который обнаружил эффект «красного смещения» спектральных линий (смещение линий к красному концу спектра). Это было истолковано как следствие эффекта Допплера – изменение частоты колебаний или длины волн из-за движения источника волн и наблюдателя по отношению друг к другу. «Красное смещение» было объяснено как следствие удаления галактик друг от друга со скоростью, возрастающей с расстоянием. В результате своих наблюдений Хаббл обосновал представление, что Вселенная – это мир галактик, что наша Галактика – не единственная в ней, что существует множество галактик, разделенных между собой огромными расстояниями. Вместе с тем Хаббл пришел к выводу, что межгалактические расстояния не остаются постоянными, а увеличиваются. Таким образом, в естествознании появилась концепция расширяющейся Вселенной.

Вселенная состоит из космических объектов: планет, звезд, межгалактической пыли, малых космических тел (астероиды, болиды, кометы и др.). Но как распределены эти космические объекты в пространстве Вселенной? Изложим несколько выводов о строении Вселенной ,которые были сделаны учеными благодаря телескопам математическим расчетам:

1. Все космические тела распределены во Вселенной не равномерно.
2. Практически все космические тела в необъятной Вселенной формируют группы. Звезды группируются парами или входят в галактики и другие объекты в  скоплении  удерживаются гравитационной силой и еще каким-то фактором. Что это за фактор ученые пока не знают, но уверенны, что одной лишь силы гравитации для поддержания стабильности недостаточно. Скопление, в которое входит Млечный путь (наша галактика), Треугольник и Андромеда, включает еще 31 галактическую систему. 
3. Скопления тоже находятся радом и образуют сверхскопления. Сверхскопление галактик – в составе такой структуры десятки или даже сотни галактических систем или их скоплений. Гравитационные силы здесь уже не такие сильные, поэтому сверхскопления движутся вместе с расширяющейся Вселенной.

Скопления и сверхскопления

Под скоплением галактик понимают гравитационно-связанную систему, которая считается крупнейшей структурой во Вселенной. Ее размер может достигать от 6 до 60 миллионов световых лет. В составе одного скопления 100-1000 галактик. Интересным является факт, что в одном скоплении, сами галактические системы занимают всего 1%, около 9% - это межгалактический газ, а все остальное приходится на темную материю и энергию. В космосе существует два типа скоплений галактик, которые приведены на рисунке 1.

Сверхскопления – структура, в состав которой входят скопления галактик и несколько отдельных галактических систем. Как правило, в одном сверхскоплении их насчитывается от 2 до 20, располагаются они в галактических нитях, или же в узлах их пересечения. Размеры сверхскоплений галактик во Вселенной достигают сотен млн. световых лет. Это настолько много, что объекты не способны удерживаться между собой гравитационными силами. Самые известные сверхскопления: Стена Скульптора – находится недалеко от Млечного Пути. Его длина 300 млн. световых лет, ширина – 210 млн. световых лет; Девы – Местное сверхскопление галактик, в состав которого входит Млечный путь; Шепли – это одно из самых больших сверхскоплений во Вселенной. Его масса в 10 тыс. раз больше массы Млечного пути.

На рисунке 4 вы можете наблюдать скопление галактик Персея, на рисунке 5 сверхскопление Волопаса.

Как вы прочитали выше, скопления и сверхскопления это "плотно" заполненная часть космического пространства астрономическими объектами. Пустотные области (ячейки, пузыри), которые находятся на границах сверхскоплений, называются войды. Изучение войд, как и самых отдаленных частей Вселенной, происходит с помощью современных телескопов, одним из которых является телескоп Хаббла. В течение длительного времени, астрономы наблюдают за процессами, происходящими в космосе, изучают скопления и расположение звезд, после чего делаются определенные расчеты, строятся модели Вселенной, звездные карты и т.д. На рисунке 6 пример войда Волопаса. На рисунке четко видна "пустота" космического пространства, и четко очерченные границы сверхскоплений.

Изучая размеры Вселенной, астрономы могут говорить только о ее видимой части, которую научно называют Метагалактикой. Чем больше сведений и знаний ученые получают о ней, тем больше становятся ее границы, причем они расширяются абсолютно во всех направлениях. Это говорит о сферической форме Вселенной (рис. 7). В предыдущей лекции мы говорили, что возраст Вселенной составляет 13,8 млрд. лет. Именно столько времени прошло с момента Большого Взрыва. Однако это только предположения, полученные в результате многолетней работы специалистов. Они основаны на наблюдениях и расчетах, но утверждать со 100% уверенностью, что Взрыв действительно был, нельзя. На сегодняшний день теория Большого Взрыва является общепринятой, так как именно она объясняет многие процессы, происходящие в космическом пространстве.Учитывая скорость света, ученые предполагают, что размеры Вселенной составляют также 13,8 млрд. световых лет. Скорей всего эта цифра не совсем точная, так как с момента зарождения пространство Вселенной все время расширяется. Некоторая его часть движется со сверхсветовой скоростью, из-за чего многие объекты навсегда останутся вне зоны видимости человека.

Квазары

Во Вселенной есть очень красивые и таинственные объекты - квазары. Слово «квазар» переводится с латинского как «радиоисточник, похожий на звезду». Их яркое сияние способно затмить целые галактические системы. Астрономы предполагают, что квазары – это активные ядра галактики. По другой версии, квазары представляют собой огромные черные дыры, которые активно поглощают все, что находится в округе. По мере приближения к ним вещества, его скорость растет, а само вещество разогревается. Магнитное поле черной дыры собирает мельчайшие частички в пучки, которые в дальнейшем разлетается от ее полюсов. Третья версия гласит, что квазары – это начальная стадия жизни галактики, то есть человечество видит их фактическое формирование. Какая из этих теорий является максимально правдивой никому не известно, но каждая из них имеет право на существование. Мощность излучения квазара просто огромна. Она в сотни раз превышает мощность излучения всех звезд в одной галактике. Сложно представить, что объект отдален от человека на несколько миллиардов световых лет, но при этом его можно увидеть в обычный телескоп. За одну единицу времени квазар производи в  10 триллионов раз больше энергии, чем Солнце. А его размер можно сравнить с размером Солнечной системы. У квазаров ест интересная особенность – их переменность. Они постоянно меняют свою светимость, что совершенно нехарактерно для галактик. Был зафиксирован случай, когда блеск объекта за один час сменился 25 раз. Исходя из последних наблюдений, выяснилось, что многие квазары находятся около центров огромных эллиптических галактик. Самый первый квазар был открыт в 1960 г благодаря Мэтью Сэндиджу. Он получил название 3с273. В современном мире квазары во Вселенной определяют по красному смещению их спектра. Если обнаружено такое смещение и при этом объект выделяет огромное количество энергии, его смело начинают именовать квазаром. Сейчас в космическом пространстве их обнаружено около 2-х тысяч. Эти космические объекты изучаются с помощью телескопа Хаббла. Расстояние между Землей и ближайшим квазаром составляет 800 млн. световых лет. На рисунке 8 представлен вид квазара с телескопа, на рисунке 9 GIF-анимация квазара с красным ореолом, сделанная из видео от BBC.

Темная энергия и темная материя

Темная энергия и темная материя две основные составляющие Вселенной. Они определяют дальнейшую судьбу нашей Вселенной. Давайте подробнее разберемся с этими терминами. Согласно современным данным, наша Вселенная состоит всего из 5% обычной, так называемой барионной материи, которая образует все наблюдаемые объекты; 25% темной материи, регистрируемой благодаря гравитации; и темной энергии, составляющей целых 70% от общего объема (рисунок 10). Слово "темная" в словосочетаниях темная энергия и темная материя подразумевают, только то, что эти вещества не взаимодействуют с фотонами, и их с таким же успехом можно было бы назвать невидимой или прозрачной материей и энергией. Многие современные ученные убеждены, что исследования направленные на изучение темной энергии и материи, вероятно, помогут получить ответ на глобальный вопрос: что же ожидает нашу Вселенную в будущем?

Темная материя представляет собой субстанцию, состоящую (предположительно) из новых, еще неизвестных в земных условиях частиц и обладающую свойствами присущими самому обыкновенному веществу. Она способна также как обычные вещества собираться в сгустки и участвовать в гравитационных взаимодействиях. Вот только размеры этих так называемых сгустков могут превышать целую галактику или даже скопление галактик.На данный момент ученые всего мира всячески пытаются обнаружить или получить искусственно в земных условиях частицы темной материи, посредством специально разработанного сверхтехнологичного оборудования и множества различных научно-исследовательских методов, но пока все труды не увенчиваются успехом. Один из методов связан с проведением экспериментов на ускорителях высокой энергии, широко известных как коллайдеры. Ученые, считая, что частицы темной материи тяжелее протона в 100-1000 раз, предполагают, что они должны будут зарождаться при столкновении обычных частиц, разогнанных до высоких энергий посредством коллайдера. 

Темная энергия представляет собой еще более необычную субстанцию, чем та же темная материя. Она не обладает способностью собираться в сгустки, в результате чего равномерно распределена абсолютно по всей Вселенной. Но самым необычным ее свойством на данный момент является антигравитация. Современные астрономические методы позволили определить темп расширения Вселенной в настоящее время и смоделировать процесс его изменения ранее во времени. В результате этого получена информация о том, что в данный момент, так же как и в недалеком прошлом, наша Вселенная расширяется, при этом темп этого процесса постоянно увеличивается. Именно поэтому и появилась гипотеза об антигравитации темной энергии, так как обычное гравитационное притяжение оказывало бы замедляющее воздействие на процесс «разбегания галактик», сдерживая скорость расширения Вселенной. Темная энергия  обладает отрицательным давлением – свойством, которым не обладает ни одно из известных на данный момент веществ. Главный кандидат на роль темной энергии является вакуум, плотность энергии которого остается неизменной в процессе расширения Вселенной и подтверждает тем самым отрицательное давление вакуума. Другим предполагаемым кандидатом является «квинтэссенция» — неизведанное ранее сверхслабое поле, якобы проходящее через всю Вселенную.

В любом случае точного ответа на вопрос что такое темная энергия и темная материя нет. Но уже сейчас понятно, что темная энергия представляет собой что-то совершенно сверхъестественное, оставаясь главной загадкой фундаментальной физики XXI века.

Галактики, виды галактик.

Галактика - основная составляющая Вселенной, которая состоит из звезд, межзвездного газа, пыли, темной материи и темной энергии, связанная силами гравитационного взаимодействия. Количество звезд и размеры галактик могут быть различными. Как правило, галактики содержат от нескольких миллионов до нескольких триллионов (1 000 000 000 000) звезд. Кроме обычных звезд и межзвездной среды галактики также содержат различные туманности. Размеры галактик от нескольких тысяч до нескольких сотен тысяч световых лет. А расстояние между галактиками достигает миллионов световых лет.

Около 90 % массы галактик приходится на долю темной материи и энергии. Природа этих невидимых компонентов пока не изучена. Существуют свидетельства того, что в центре многих галактик находятся сверхмассивные чёрные дыры. Пространство между галактиками практически не содержит вещества и имеет среднюю плотностью меньше одного атома на кубический метр. Предположительно, в видимой части вселенной находится около 100 млрд. галактик.

По классификации, предложенной астрономом Эдвином Хабблом, в 1925 году существуют несколько видов галактик (классификация была проведена по форме галактик):

• эллиптические(E),
• линзообразные(S0),
• обычные спиральные(S),
• пересеченные спиральные(SB),
• неправильные (Ir).

Эллиптические галактики (рисунок 11) — класс галактик с четко выраженной сферической структурой и уменьшающейся к краям яркостью. Они сравнительно медленно вращаются, заметное вращение наблюдается только у галактик со значительным сжатием. Доля эллиптических галактик в общем числе галактик в наблюдаемой части вселенной — около 25 %.

Спиральные галактики (рисунок 12) названы так, потому что имеют внутри диска яркие рукава звёздного происхождения. Спиральные галактики имеют центральное сгущение и несколько спиральных ветвей, или рукавов, которые имеют голубоватый цвет, так как в них присутствует много молодых гигантских звезд. Эти звезды возбуждают свечение  газовых туманностей, разбросанных вместе с пылевыми облаками вдоль спиральных ветвей. Диск спиральной галактики обычно окружён большим сфероидальным гало (светящееся кольцо вокруг объекта; оптический феномен), состоящим из старых звёзд второго поколения. Все спиральные галактики вращаются со значительными скоростями, поэтому звезды, пыль и газы сосредоточены у них в узком диске. Обилие газовых и пылевых облаков и присутствие ярких голубых гигантов говорит об активных процессах звездообразования, происходящих в спиральных рукавах этих галактик. Многие спиральные галактики имеют в центре перемычку (бар), от концов которой отходят спиральные рукава. Наша Галактика Млечный путь также относится к спиральным галактикам с перемычкой.

Линзообразные галактики (рисунок 13) — это промежуточный тип между спиральными и эллиптическими. У них есть балдж, гало и диск, но нет спиральных рукавов. Их примерно 20% среди всех звездных систем. В этих галактиках яркое основное тело – линза, окружено слабым ореолом. Иногда линза имеет вокруг себя кольцо.

Неправильные галактики (рисунок 14) — это галактики, которые не обнаруживают ни спиральной, ни эллиптической структуры. Чаще всего такие галактики имеют хаотичную форму без ярко выраженного ядра и спиральных ветвей. В процентном отношении составляют одну четверть от всех галактик. Большинство неправильных галактик в прошлом являлись спиральными или эллиптическими, но были деформированы гравитационными силами.

Мы уже говорили о том, что галактики, вероятнее всего возникли в результате Большого взрыва. Образовавшиеся частицы пыли и газа начали группироваться, объединяться, сталкиваться и таким образом появлялись сгустки, которые позднее превращались в галактики. Многообразие форм галактик связано с разнообразием начальных условий образования галактик. Скопление газообразного водорода внутри таких сгустков стало первыми звездами. После зарождения любая галактика начинает сжиматься и продолжается это около 3 млрд лет. Первыми в галактике образуются звезды. Облака газа с помощью сил гравитации сжимаются, плотность растет, температура тоже. В тот момент ,когда плотность и температура становятся очень большими, в цента этого сжатого газа начинают происходить термоядерные реакции, с выделением большого количества энергии, таким образом "разгораются" звезды. Разгораясь, звезда становится источником мощной энергии, и как следствие силы притяжения стали притягивать планеты, так образовались солнечные системы.

Не смотря на то, что масштабы Вселенной безграничны, космические объекты находясь в постоянном движении, могут взаимодействовать друг с другом. Встретиться две галактики на просторах Вселенной могут с большой вероятностью. Что же происходит при "соприкосновении галактик"? Есть несколько вариантов последствий встречи ,в зависимости от размеров и структуры галактик. При "встрече" двух больших галактик может произойти взрыв. Если две космические системы разных размеров, то небольшая галактика может свободно пройти мимо более крупной, изменив только незначительно её структуру. На месте "встречи" образуются формирования, похожие внешним видом на вытянутые коридоры. В их составе выделяются звезды и газовые зоны, часто формируются новые светила. Бывают случаи, что галактики не ударяются, а только слегка соприкасаются друг с другом. Однако даже такое взаимодействие запускает цепочку необратимых процессов, которые приводят к огромным изменениям в структуре обеих галактик. В любом случае, во время столкновения двух космических систем выплескивается гигантское количество энергии. Ниже на видео представлены примеры "соприкасающихся галактик".

Галактика Млечный путь

Наша галактика Млечный Путь относится к самому распространенному виду галактик - спиральна галактика. Она не является средней по размеру или массе. Галактик, которые мельче Млечного Пути, больше чем тех, что крупнее его. Еще наш «звездный остров» обладает как минимум 14-ю спутниками — другими карликовыми галактиками. Они обречены кружить вокруг Млечного Пути, пока не будут им поглощены, или же не улетят прочь от межгалактического столкновения. Ну и пока что это единственное место, где наверняка существует жизнь — то есть мы с вами. Но еще Млечный путь остается наиболее загадочной галактикой во Вселенной: находясь на самом краю «звездного острова», мы видим лишь часть из миллиардов его звезд. А сердце галактики и вовсе невидимо — оно закрыто плотными рукавами звезд, газа и пыли. Сейчас мы поговорим о тайнах и фактах о наше галактике. Внимательно изучите рисунке 15 и 16, где приведены схемы галактики Млечный путь.

Внутри Млечного Пути находится ядро — центральная часть галактики, сосредоточение ее массы, вокруг которой располагаются все остальные части «звездного острова». Во Млечном Пути его образует группа звезд и туч пыли, которые на большой скорости движутся вокруг сверхмассивной черной дыры Стрелец А*. Ядро нашей галактики принадлежит к активным, поскольку выделяет больше энергии, чем суммарно все составляющие его звезды.

Дальше идет балдж (от англ. «вздутие, выпуклость») — сферическая объемная оболочка центра Млечного Пути (Рисунок 16). Его составляют крупные звезды-гиганты, старые светила и раскаленные газы, которые вращаются вокруг ядра с громадными скоростями. Балдж — самая концентрированная и наиболее яркая часть не только нашей, но и любой другой галактики. Но мы почти его не видим, поскольку он закрыт он нас рукавами Млечного Пути и собственной облачной оболочкой.

По обе стороны от балджа отходит перемычка — мостик, к которому крепятся галактические рукава Млечного Пути. Часто ее не выделяют в отдельный компонент: без рукавов на фоне, балдж сливается с перемычкой, оставляя только небольшое утолщение в центре. Перемычку можно сравнить с оживленным и бурным руслом реки. Здесь постоянно нагнетаются потоки галактических газов и пыли, что приводит к активному образованию звезд.

От краев перемычки раскручиваются два главных рукава спирали Млечного Пути — рукава Щита-Кентавра и Персея (рисунок 15). Их назвали в честь созвездий земного неба, совпадающих с ними. Существует еще минимум 5 меньших рукавов, которые ответвляются параллельно главным. Однако они являются всего лишь частью галактического диска — тонкого слоя галактики, в котором концентрируется большая часть ее видимого вещества. Толщина диска Млечного Пути равна 2 тысячам световых лет, что довольно мало в сравнении с 180 тысячами с.л. диаметра.

Интересный факт. Рукава — это весьма необычная структура. Когда газ и пыль сохраняют свою спиральную форму и вращаются вместе с галактикой, звезды полностью самостоятельные — они покидают «родительские» рукава и улетают в другие. Существует только один небольшой промежуток, где движение звезд и рукавов синхронно — в этом секторе находится наше Солнце. Астрономы считают, что именно нахождение в таком спокойном месте позволило жизни на Земле сформироваться. Столкновения с облаками галактической пыли и близкие контакты с другими звездами серьезно бы повлияли на планетную систему Солнца.

Остальную же часть галактики составляет гало. Никто не знает, как далеко оно простирается и где заканчивается. Гало преимущественно заполнено темной материей, которую не так-то просто обнаружить. Однако в нем присутствуют и видимые части. В астрономии их называют сфероидальным компонентом Млечного Пути. Это те видимые светила и облака газов, которые не причисляются к звездному диску — например, шаровые скопления. Светила в них сбиты очень тесно: на кубический парсек в них от 700 до 7000 раз больше звезд!

Шаровые скопления звезд движутся по вытянутым орбитам вокруг Млечного Пути и не контактируют с его газопылевым диском, «заправочной станцией» звездообразования. Поэтому газов у них почти нет, а все звезды приблизительно одного поколения. Но есть скопления, которые выбиваются из этого правила. Они очень плотны, их масса достигает миллионов солнечных масс, и состоят из звезд различного возраста.

Загадка происхождения столь необычных объектов оказалась проста — это остатки ядер тех галактик, которые Млечный Путь поглотил в прошлом. Невероятно, но такие вот «косточки» бывших спутников составляют около четверти всех шаровых звездных скоплений нашей галактики.

Пройдите по это ссылке и вы посетите интерактивную экскурсию по Млечному пути. Перейдя по ссылке в левом верхнем углу будет кнопка "посетить экскурсию", которую вам необходимо нажать и просмотреть все!

Самой старой звезде, обнаруженной в нашей галактике, HD 140283, астрофизики дают 13,7 миллиарда лет — она только на 100 миллионов лет моложе самой Вселенной. В ту пору галактика развивалась очень бурно. В раннем периоде Млечный путь активно поглощал меньшие, карликовые галактики, которые попадались на его пути. Поэтому из множества спутников у галактики осталось лишь 14. Сейчас Млечный Путь принадлежит к «зеленому промежутку» галактик, и находится ровно посередине своего жизненного пути — газ для формирования новых звезд начинает заканчиваться, но сами звезды еще молоды. Однако вырождаться в галактику «красной последовательности» Млечный Путь пока не собирается. После того как он разделается со своими спутниками, его ждет уже известное вам столкновение с галактикой Андромеда. После него Млечный Путь и Андромеда объединят свои ресурсы, и их ждет кратковременный рост количества новых звезд. А дальнейшие перспективы не берутся загадывать даже фантасты. Ведь 5 миллиардов лет, которые требуются для слияния галактик — больше, чем возраст всего живого на текущий момент. На следующем видео показан процесс объединения галактик Млечный путь и Андромеда.

Список использованных источников:

1. Астрономия. 10-11 классы : учеб. для общеобразоват. организаций : базовый уровень / В.М. Чаругин. – М. : Просвещение, 2018. – 144 с. : ил. – (Сферы 1-11) – ISBN 978-5-09-053903-6
2. Мякишев Г.Я. Физика. 11 класс: учеб. для общеобразоват. организаций с прил. на электрон. носителе: базовый и профил. уровни/ Г.Я. Мякишев, Б.Б. Буховцев, В.М. Чаругин; под ред. Н. А. Парфентьевой. – 23-е изд. М.: Просвещение, 2014. – 399 с., [4] л. ил. – (Классический курс). – ISBN 9798-5-09-032373-4.
3. Материалы сайта: https://spacegid.com/