Урок №12

Тема: Складові, розмір і спіральна структура Галактики. Склад, маса, чисельність зір. Типи населення Галактики, зоряні скупчення. Місце Сонця в Галактиці, його рух відносно сусідніх зір та центра Галактики. Обертання Галактики. Міжзоряні газ і пил. Космічні промені. Проблема «прихованої маси»

Мета:

Наша Галактика

Першим вченим, який припустив, що Чумацький Шлях складається із віддалених зір, був Демокрит. Ґрунтуючись на результатах своїх підрахунків, Вільям Гершель у XVIII ст. зробив спробу визначити розміри Галактики. Він довів, що наша зоряна система має кінцеві розміри й утворює свого роду товстий диск: у площині Чумацького Шляху вона тягнеться на відстань не більше 850 одиниць, а в перпендикулярному напрямі — на 200 одиниць, якщо прийняти за одиницю відстань до Сиріуса. За сучасною шкалою відстаней це відповідає 7300 × 1700 світлових років.

Ця оцінка загалом правильно відображує структуру Чумацького Шляху, хоча вона вельми неточна. Річ у тому, що, окрім зір, до складу диска Галактики входять також численні газопилові хмари, які послаблюють світло віддалених зір. Перші дослідники Галактики не знали про цю поглинальну речовину і вважали, що вони бачать всі її зорі. Реальні розміри Галактики були встановлені тільки в XX ст. Виявилось, що вона є більш пласким утворенням, ніж припускали раніше. На вигляд Галактика нагадує зерно чечевиці зі стовщенням посередині. Так, у 40-ві рр. XX сторіччя, спостерігаючи галактику М31, більш відому як туманність Андромеди, німецький астроном Вальтер Бааде (у ті роки він працював в США) відмітив, що плоский лінзоподібний диск цієї величезної галактики занурений у більш розріджену зоряну хмару сферичної форми — гало. Оскільки туманність Андромеди дуже схожа на нашу Галактику, Бааде припустив, що подібна структура і в Чумацького Шляху. Зорі галактичного диска були названі населенням I типу, а зорі гало (або сферичною складовою) — населенням II типу. Наша Галактика — спіральна система масою від 2х.1011 до 8, 5х.1011 −11,5х1011 M¤.  (2,3.х1042 кг), радіусом близько 1, 5х.104 –2х.104 пк і світністю 2х.1010 –4х.1010 L.¤. Галактика складається зі 150–200 мільярдів зір і безлічі інших космічних об’єктів: понад 6000 галактичних молекулярних хмар, що містять у собі до 50 %

міжзоряного газу, туманностей, планетних тіл та їхніх систем, нейтронних зір, білих і коричневих карликів, чорних дір, космічного пилу й газу. Диск Галактики пронизаний великомасштабним магнітним полем, що втримує частинки космічних променів і змушує їх рухатися уздовж магнітних ліній по гвинтових траєкторіях. 85–95 % маси Галактики зосереджено в зорях, 5–15 % — у міжзоряному дифузійному газі. Масова частка важких елементів у хімічному складі Галактики становить 2 %. Вік Галактики 14,4±1,3 млрд років. Більша частина зір Галактики утворилася понад 9 млрд

років тому. Основна частина зір, що утворюють Галактику, спостерігається із З емлі як біляста, слабосвітна смуга неправильних обрисів, що оперізує все небо,— Чумацький Шлях, у якому зливається сяйво мільярдів слабосвітних зір.

Ми спостерігаємо свою Галактику зсередини, що утруднює визначення її форми, структури й деяких фізичних характеристик. 

Телескопічним спостереженням доступно лише 109 , тобто до 1 % всіх зір Галактики.

Ядро Галактики спостерігається в сузір’ї Стрільця (α = 17h38m, δ = −30°), займаючи частину сузір’їв Щита, Скорпіона й Змієносця. Ядро повністю сховане за потужними темними газопиловими хмарами загальною масою 3х108M¤ в 700 пк від центра Галактики, що поглинають видиме, але пропускають радіо- і інфрачервоне випромінювання. За їх відсутності ядро Галактики було б найяскравішим після Сонця й Місяця небесним світилом. У центрі ядра спостерігається згущення — керн. Усього в 400 світлових роках від центра, у надрах газопилової туманності Стрілець А масою 105M¤. ховається чорна діра масою близько 4,6х106M¤. У самому центрі в області, розмірами менше за 1 пк і масою 5х106M¤, імовірно, перебуває дуже густе скупчення блакитних надгігантів (до 50 000 зір).

Наша Галактика має перемичку — бар, з кінців якого в 4 тис. пк від центра Галактики починають закручуватися 3 спіральні рукави. Поблизу одного з них — рукава (вітка) Оріона — перебуває Сонячна система. Друга — вітка Персея — спостерігається в напрямку від центра Галактики на відстані 1,5–2,4 кпк від Сонця. Третя — вітка Стрільця — перебуває в напрямку центра Галактики в 1,2–1,8 кпк від Сонця.

Будова нашої Галактики: 1 — керн; 2 — ядро Галактики; 3 — балдж («здуття»): сферичне населення центра Галактики; 4 — бар — галактична «перемичка»; 5 — молода плоска підсистема (зорі класів О, В, асоціації); 6 — стара плоска підсистема (зорі класу А); 7 — диск Галактики (зорі головної послідовності, нові, червоні гіганти, планетарні туманності); 8 — проміжна сферична складова (старі зорі, довгоперіодичні змінні); 9 — спіральні рукави (дифузійні газопилові туманності, молоді зорі класів О, В, А, F); 10 — зони концентрації ГМХ поблизу ядра (10a) і в «молекулярному кільці» (10b); 11 — найдавніша сферична підсистема (гало) (кульові скупчення, короткоперіодичні цефеїди, субкарлики); 12 — кульові скупчення; 13 — Сонячна система; 14 — газова корона Галактики.

Диск

Лише у 1980-х роках астрономи висловили припущення, що Чумацький Шлях є спіраллю із перемичкою, а не звичайною спіраллю. Це припущення було підтверджене 2005 року Космічним телескопом імені Лаймана Спітцера, який показав, що центральна перемичка нашої галактики є більшою, ніж вважалося раніше. За оцінками вчених, галактичний диск, що видається в різні боки у районі галактичного центру, має діаметр близько 100 000 світлових років. Порівняно з гало диск обертається помітно швидше. Швидкість його обертання не однакова на різних відстанях від центра. Вона швидко зростає від нуля в центрі до 200–240 км/с на відстані 2 тис. світлових років від нього, потім дещо зменшується, знову зростає приблизно до того ж значення і далі залишається майже постійною. Вивчення особливостей обертання диска дозволило оцінити його масу. Виявилось, що вона в 150 млрд разів більше від M¤.. Поблизу площини диска концентруються молоді зорі і зоряні скупчення, вік яких не перевищує декількох мільярдів років. Вони утворюють так звану плоску складову. Серед них дуже багато яскравих і гарячих зір. Газ в диску Галактики також зосереджений в основному поблизу його площини. Він розподілений нерівномірно, утворюючи численні газові хмари — від гігантських неоднорідних за структурою надхмар протяжністю декілька тисяч світлових років до маленьких хмарок, не більших за парсек.

Гало

Галактичний диск оточений сфероїдним гало, що складається зі старих зір та кульових скупчень, 90 % яких знаходяться на відстані понад 100 000 світлових років від центра галактики. Це дозволяє припустити, що діаметр зоряного гало складає 200 000 світлових років. Однак останнім часом було винайдено декілька кульових скупчень, таких як PAL4 та AM1, що знаходяться на відстані більш ніж 200 000 світлових років від центра галактики. Центр симетрії гало Чумацького Шляху збігається з центром галактичного диска. Складається гало в основному з дуже старих, неяскравих маломасивних зір. Вони зустрічаються як поодинці, так і у вигляді кульових скупчень, які можуть включати понад мільйон зір. Вік населення сферичної складової Галактики перевищує 12 млрд років, його зазвичай приймають за вік самої Галактики. У той час як галактичний диск містить газ та пил, що утруднює проходження видимих хвиль, сфероїдна компонента не містить таких складових. Активне зореутворення відбувається в диску (особливо в спіральних рукавах, що є зонами посиленої густини). Однак воно не відбувається у гало. Розсіяні скупчення також трапляються переважно в диску. Вважається, що більшість маси нашої галактики складає темна матерія, яка формує гало чорної матерії масою у приблизно 600–3000 мільярдів M¤. Гало темної матерії сконцентроване у напрямку центра галактики. Зорі сферичної складової концентруються відповідно до центра Галактики. Центральна, найбільш густа частина гало в межах декількох тисяч світлових років від центра Галактики називається балдж (у перекладі з англ. «потовщення»). Зорі і зоряні скупчення гало рухаються навколо центра Галактики по дуже видовжених орбітах. Через те, що обертання окремих зірок відбувається майже безладно (тобто швидкості сусідніх зір можуть мати будь-які напрямки), гало в цілому обертається дуже поволі.

Ядро

Центр галактики містить компактний об’єкт доволі значної маси (близько 4,3 мільйона M. ), розташований у напрямі сузір’я Стрільця. Цей об’єкт має назву Стрілець A* (англ. Sagittarius A*). Більшість вчених вважають його супермасивною чорною дірою. Існує припущення, що більшість галактик мають супермасивні чорні діри у своєму галактичному центрі. Навколо масивної чорної діри обертається чорна діра меншого розміру масою від 1000 до 10000 M¤. з періодом обертання близько 100 років та декілька тисяч відносно незначних. Для центральних областей Галактики характерна сильна концентрація зір: у кожному кубічному парсеку поблизу центра їх міститься багато тисяч. Відстані між зорями в десятки і сотні разів менше, ніж на околицях Сонця. Як і в більшості інших галактик, розподіл маси у Чумацькому Шляху є таким, що орбітальна швидкість більшості зір цієї Галактики не залежить значною мірою від їх відстані від центра. Далі від центральної перемички та зовнішнього кола звичайна швидкість обертання зір становить 210–240 км/год. Таким чином, орбітальний період звичайної зорі прямо пропорційний лише довжині шляху, який він проходить. Це твердження не справджується відносно Сонячної системи, де різні орбіти мають суттєво різні швидкості обертання, що підтверджує існування чорної матерії. Вважається, що довжина галактичної перемички складає близько 27 000 світлових років. Ця перемичка проходить крізь центр галактики під кутом 44 ±10 градусів до лінії між нашим Сонцем та центром галактики. Вона складається переважно із червоних зір, які вважають дуже давніми. Перемичка оточена кільцем, що має назву «Кільце у п’ять кілопарсеків». Це кільце містить більшу частину молекулярного вуглецю, що міститься у галактиці і є найбільш активним регіоном зореутворення у нашій галактиці. Якщо вести спостереження із галактики Андромеди, то галактична перемичка Чумацького Шляху була б найяскравішою його частиною. Галактика має складний диференційований характер обертання навколо своєї осі (рис. 29.2). Швидкості зір у ядрі досягають 1000–1500 км/с. Швидкість обертання галактичних рукавів нижча від швидкості руху окремих зір на тій же відстані від центра Галактики. Сонячна система розташовується поблизу екваторіальної площини Галактики в 34 000 світлових років від її центра (на відстані збігу швидкості обертання Галактики й руху її спіральних рукавів). З аналізу рухів 300 000 зір за зсувом ліній у спектрах завдяки ефекту Доплера встановлено, що Сонячна система переміщується відносно найближчих зір зі швидкістю 20 км/с у напрямку сузір’я Геркулеса й разом із ними обертається навколо центра Галактики зі швидкістю 250 км/с у напрямку сузір’їв Лебедя й Цефея. Точка небесної сфери, у напрямку якої рухається Сонячна система, називається апексом.

Крива обертання Галактики

Період обертання Сонячної системи навколо центра Галактики становить 195–220 мільйонів років. Середня тривалість галактичного року (TG ) дорівнює 213 млн років. Концентрація речовини міжзоряного середовища досить нерівномірна. Вона різко зростає в площині обертання Галактики й у шарі завтовшки 500 світлових років діаметром 100 000 світлових років становить 10−21 кг/м3 . Хмари темної густої пилової матерії, що поглинає зоряне світло, видно на тлі Чумацького Шляху неозброєним оком у сузір’ях Лебедя, Змієносця, Щита, Стрільця. Найбільшої густини вона набуває в напрямку ядра Галактики. На відстані від 4 до 8 тис. пк від галактичного центра розташовується «молекулярне кільце» Галактики — скупчення галактичних молекулярних хмар масою до 3х.109M¤. Розріджений нейтральний газ на відстані від зір прозорий для оптичного випромінювання. Вивченню розподілу й характеристик газу в міжзоряному середовищі й галактичних молекулярних хмарах сприяє радіовипромінювання молекулярного водню ( l = 0,21м .) й гідроксилу ОН ( l = 0,18м .).

Турбулентна міжзоряна плазма сконцентрована в хмарах, що займають близько 20 % міжзоряного середовища. Поза спіральними рукавами рідкі плазмові хмари розмірами менше 26 пк і густиною електронів 0,1–0,3 частинки/см виявляються на відстанях до ±900 ... від площини Галактики. Хмари в спіральних рукавах ( ±200 .. від площини Галактики) мають розміри до 50 пк, електронну густину — 0,2–1,0 частинки/c.3 . У зонах зореутворення в площині Галактики електронна густина хмар розмірами 10–50 пк досягає 1–10 частинок/c3. Відносний вік і порядок утворення зір у Галактиці визначають з аналізу хімічного складу зоряних областей — підсистем Галактики. Народження зір у Галактиці протягом мільярдів років зменшує концентрацію міжзоряного газу й сповільнює темпи зореутворення до повного його припинення через «нестачу сировини» для формування зір наступних поколінь. У минулому темп зореутворення був

значно вищим. Зараз у всій Галактиці щорічно на зорі перетворюється міжзоряний газ масою від 4M.¤ до 10M¤.. Він повинен відновлятися, інакше повністю вичерпався б у перші 1–2 млрд років життя Галактики.

Основним «постачальником» міжзоряного газу є зорі, особливо на останніх стадіях своєї еволюції: блакитні й червоні гіганти й надгіганти, нові й наднові породжують протягом року близько 4M.¤ міжзоряного газу. Імовірно, Галактика притягує газ із навколишнього її простору (до 1,2–2 M¤. в рік). Тому кількість міжзоряного газу в Галактиці  меншується дуже повільно.

Помітно змінюється його хімічний склад. У зорях I покоління віком 12–15 мільярдів років концентрація важких елементів становить близько 0,1 %. Зорі другого покоління Головної послідовності віком 5–7 млрд років містять до 2 % важких елементів. У сучасних дифузійних туманностях досить багато пилу, різних газів, важких хімічних елементів і складних молекулярних сполук. Молоді зорі класів О, В, А віком 0,1–3 млрд років у розсіяних скупченнях належать до нового, третього покоління зір. Вони містять близько 3–4 % важких елементів. У гало Галактики спостерігаються «високошвидкісні» хмари атомарного водню, що переміщаються незалежно від її обертання.

Одні хмари, у складі яких близько 0,1 % важких хімічних елементів, складаються з речовини, притягнутої Галактикою з навколишнього простору. Інші хмари утворені викидами речовини з галактичного диска під час спалахів наднових у зоряних скупченнях й інших космічних явищ; в їхньому складі — до 1 % важких хімічних елементів.

Важливою складовою міжзоряного середовища Галактики є космічні промені-потоки заряджених елементарних частинок з енергією до 1021 eB: протони (91,7 %), релятивістські електрони (0,92 %), ядра атомів Гелію (6,6 %) і більш важких хімічних елементів (0,72 %). Незважаючи на низьку просторову густину космічних променів (у Землі — 1 частка/ c.3 .c), густина їхньої енергії порівнянна із густиною енергії сумарного електромагнітного випромінювання зір, енергії теплового руху міжзоряного газу й магнітного поля Галактики. Основним джерелом космічних променів

є спалахи наднових.

Загальне магнітне поле Галактики має індукцію близько 10−10Тл. Силові лінії в основному паралельні до галактичної площини й вигинаються уздовж її спіральних рукавів. Взаємодіючи із зарядженими частинками космічних променів, магнітне поле Галактики викривляє траєкторії їхнього руху уздовж силових ліній і гальмує релятивістські електрони, породжуючи нетеплове (синхротронне) випромінювання радіохвиль із довжиною хвилі понад 1 м. Вивчення «варіацій» — просторово-часових змін характеристик космічних променів під впливом різних процесів у міжзоряному просторі й космічних об’єктах — дозволяє досліджувати електромагнітні поля окремих протяжних космічних об’єктів і всієї Галактики загалом. Висока енергія космічних променів робить їх незамінними помічниками фізиків під час вивчення будови речовини й взаємодій елементарних частинок.

Схема класифікації галактик за Е. Ґабблом

Усі складові частини галактик рухаються навколо спільного центра мас.

Галактики розподілені у просторі нерівномірно вони утворюють групи галактик і скупчення галактик, які мають тенденцію утворювати надскупчення.За послідовністю Ґаббла Чумацький Шлях є спіральною галактикою типу SBb, що разом із галактикою Андромеди, Галактикою Трикутника та низкою інших галактик утворюють Місцеву галактичну групу. У свою чергу, Місцева група входить до надскупчення Діви.