Состав и структура Галактики. Положение Солнечной системы в Галактике. Вращение и масса Галактики. Эволюция Галактики.

Галактика Млечный Путь

• Галактика Млечный Путь (или просто Галактика) — гигантская звёздная система, в которой находится

Солнечная система, все видимые невооружённым глазом отдельные звёзды, а также огромное количество

звёзд, сливающихся вместе и наблюдаемых в виде млечного пути.

• Млечный Путь — одна из многочисленных галактик Вселенной. Является спиральной галактикой с четырьмя рукавами и перемычкой типа SBb по классификации Хаббла, и вместе с галактикой Андромеды (M31) и галактикой Треугольника (М33), а также несколькими меньшими галактиками-спутниками образует Местную группу галактик, которая, в свою очередь, входит в Сверхскопление Девы.

Строение Галактики

• Галактика Млечный Путь представляет собой огромную сплюснутую систему, симметричную относительно главной плоскости и состоящую из более чем 150 млрд. звёзд, разреженного газа, пыли и космических лучей.

• Поперечник Галактики составляет около 30 кпк (100 тыс. св. лет).

• Важнейшими элементами структуры Галактики являются сферическая составляющая, центральное сгущение (балдж), звёздно-газово-пылевой диск, спиральные рукава (ветви).

• Центр Галактики при наблюдении из Солнечной системы проецируется в созвездие Стрельца.

• Толщина звёздного диска составляет 500–600 пк.

• По направлению к центру Галактики, а также по мере приближения к её плоскости звёздная плотность возрастает и в центре составляет 105–106 звёзд в пк3, при этом в окрестности Солнца звёздная плотность всего 0,12 пк–3.

Центральная область Галактики (балдж)

• В средней части Галактики находится утолщение (балдж), составляющее около 5 кпк в поперечнике.

• В галактической плоскости сосредоточено большое количество межзвёздной пыли, благодаря которой свет, идущий от галактического центра, ослабляется в 1012 раз. Поэтому центр невидим в оптическом диапазоне. Галактический центр наблюдается в радио-, ИК, рентгеновском и гамма-диапазонах.

• Масса центрального скопления составляет примерно 109 М Ÿ.

• Ядра галактик являются центрами их конденсации и начального звёздообразования. Там должны находиться самые старые звёзды.

• По всей видимости, в самом центре ядра Галактики находится сверхмассивная чёрная дыра (Стрелец А*) массой около 3,7·106 М Ÿ, что показано исследованием орбит близлежащих звёзд. Галактический центр

• Изображение размером 400 на 900 св. лет составлено из нескольких фотографий телескопа Chandra, с сотнями белых карликов, нейтронных звёзд и чёрных дыр, в облаках газа, раскалённого до миллионов К.

• Внутри яркого пятна в центре находится сверхмассивная чёрная дыра галактического центра (радиоисточник Стрелец A*).

Плоская составляющая Галактики и звёздный диск

• Звёздный диск содержит основное количество звёзд Галактики. Толщина диска составляет несколько сотен пк.

• В диске Галактики находится Солнце и практически все звёзды, наблюдаемые невооружённым глазом.

• В экваториальной плоскости диска концентрируются наиболее молодые объекты Галактики – звёзды ранних спектральных классов О и В, классические цефеиды, сверхновые второго типа, пыль и газ. Все эти объекты образуют наиболее тонкий диск (плоскую составляющую Галактики) толщиной 100–200 пк.

• Старые звёзды и связанные с ними планетарные туманности образуют более толстый диск (звёздный диск Галактики).

Рукава Галактики

Галактика относится к классу спиральных галактик, что означает, что у Галактики есть спиральные рукава (ветви), расположенные в плоскости диска.

Именно в рукавах находятся наиболее молодые объекты (массивные концентрации газа и молодых звёзд) звёздного диска Галактики.

Сферическая составляющая и гало Галактики

• Сферическая составляющая включает старые звёзды и шаровые звёздные скопления,

окружённые очень разреженным горячим слабо намагниченным газом.

• Гало Галактики — невидимый компонент Галактики сферической формы, который простирается за видимую часть Галактики. В основном состоит из разреженного газа, звёзд и тёмной материи. Последняя составляет основную массу Галактики.

Положение и движение Солнечной системы в Галактике

• Солнце расположено на 20–25 пк выше плоскости симметрии нашей Галактики и удалено от центра на расстояние 7,5–8 кпк

Проблема вращения галактик

Близкие к Солнцу звёзды движутся вместе с ним перпендикулярно к направлению на центр Галактики. Это движение является следствием общего вращения Галактики, скорость которого меняется с расстоянием от её центра (дифференциальное вращение). Такое вращение имеет следующие особенности:

1. Вращение происходит по часовой стрелке, если смотреть на Галактику со стороны её северного полюса.

2. Угловая скорость вращения убывает по мере удаления от центра. Однако это убывание медленнее, чем если бы вращение звёзд вокруг центра Галактики происходило по законам Кеплера.

3. Центральная часть диска в области балджа вращается почти твёрдотельно, и поэтому линейная скорость вращения растёт пропорционально расстоянию вплоть до максимального значения около 250 км/с.

4. Солнце и звёзды в его окрестности совершают полный оборот вокруг центра Галактики примерно за 240–250 млн. лет.

5. Масса Галактики может быть оценена из условия, что движение объектов происходит по кривой, близкой к окружности. Из условия равенства центростремительного ускорения на расстоянии r = 15 кпк и гравитационного, обусловленного массой, заключённой внутри радиуса r,

получаем массу Галактики:

• Звёзды вращаются вокруг центра Галактики с постоянной скоростью в большом диапазоне расстояний от центра галактики, причём гораздо быстрее, чем ожидалось, если бы они находились в потенциале Ньютона.

• Проблема вращения галактик – это несоответствие между наблюдаемыми скоростями вращения материи в дисковых частях спиральных галактик и предсказаниями классической динамики, учитывающими только видимую массу.

• В настоящее время считается, что это несоответствие выдаёт присутствие «тёмной материи», которая пронизывает Галактику и простирается до галактического гало.

Происхождение и эволюция Галактики

• Согласно современным представлениям, Галактика образовалась примерно через 400 тыс. лет после Большого Взрыва из медленно вращавшегося газового облака, по своим размерам превосходившего её современные размеры в десятки раз. Первоначально оно состояло из смеси 75% водорода и 25% гелия (по массе) и почти не содержало тяжёлых элементов.

• В течение примерно миллиарда лет это облако свободно сжималось под действием сил гравитации. Коллапс неизбежно привёл к фрагментации и началу процесса звёздообразования.

• Сначала газа было много и он находился на больших расстояниях от плоскости вращения. Возникли звёзды первого поколения, а также шаровые скопления. Их современное распределение (гало) соответствует первоначальному распределению газа, близкому к сферическому.

• Наиболее массивные звёзды первого поколения быстро проэволюционировали и обогатили межзвёздную среду тяжёлыми элементами (главным образом за счёт вспышек сверхновых).

• Та часть газа, которая не превратилась в звёзды, продолжала свой процесс сжатия к центру Галактики. Из-за сохранения момента количества движения, её вращение становилось быстрее, образовался диск, и в нём снова начался процесс звёздообразования.

• Второе поколение звёзд оказалось более богатым тяжёлыми элементами. • Оставшийся газ сжался в более тонкий слой, в результате чего возникла плоская составляющая – основная область

современного звёздообразования.

Образования в Галактике и межзвёздная среда. Звёздные скопления. Межзвёздная пыль. Межзвёздный газ. Газовые туманности. Области H II и Н I. Молекулярные облака. Космические лучи.

Звёздные скопления

• Как в звёздном диске, так и в сферической составляющей Галактики звёзды концентрируются в

звёздные скопления.

• Звёздными скоплениями называют гравитационно связанные системы звёзд, выделяющиеся как области повышенной звёздной плотности.

• Звёздные скопления делятся на две группы: рассеянные скопления, содержащие несколько десятков и сотен звёзд, и шаровые скопления, состоящие из десятков и сотен тысяч звёзд.

• Рассеянное звёздное скопление —звёздное скопление, в котором содержится сравнительно немного звёзд, и часто имеющее неправильную форму. Рассеянные скопления входят в плоскую подсистему. Наиболее известно рассеянное звёздное скопление Плеяды.

• Шаровое звёздное скопление — звёздное скопление, отличающееся от рассеянного скопления бо́льшим количеством звёзд и чётко очерченной симметричной формой с увеличением концентрации звёзд к центру скопления.

Межзвёздная пыль

• Галактическая пыль сосредоточена в межзвёздном пространстве в тех же местах, что и галактический газ,

образуя с ним газо-пылевые комплексы и тёмные туманности.

• Тёмные пылевые галактические туманности представляют собой плотные облака, вблизи которых нет возбуждающих или освещающих звёзд. Пылевые частички в галактике Млечный Путь концентрируются в плоскости галактического диска, поэтому большая часть тёмных пятен сосредоточена именно на фоне Млечного Пути, в виде тёмной непрозрачной материи окружённой более светлыми участками. Звёзды на фоне материи не видны, что вызвано её непрозрачностью.

• Примерами объектов такого типа являются тёмные туманности, известные под названием Конской Головы и

Угольного Мешка (расположена рядом с двумя самыми яркими звёздами созвездия Южного Креста).

• Угольный Мешок находится на расстоянии около 150 пк, а его размеры – около 8 пк. Из- за контраста с окружающими яркими областями Млечного Пути туманность кажется чёрным пятном. В телескоп видны в ней слабые звёзды, число которых примерно в три раза меньше количества звёзд в соседних областях того же размера. Это значит, что Угольный Мешок поглощает свет далёких звёзд, уменьшая общее количество света примерно в три раза.

• Множество облаков, подобных Угольному Мешку образуют широкую тёмную полосу вдоль средней линии Млечного Пути, начинающуюся от созвездия Лебедя и тянущуюся через созвездия Орла, Змеи, Стрельца и Скорпиона. Это так называемая Большая развилка Млечного Пути. Особенно большое количество тёмных облаков наблюдается в области центрального сгущения нашей Галактики, в созвездии Стрельца, вследствие чего этот крайне интересный объект Галактики особенно трудно наблюдать

Газо-пылевые туманности

• Деление туманностей на газовые и пылевые в значительной степени условно: все туманности содержат и пыль, и газ.

• Такое деление исторически обусловлено различными способами наблюдения и механизмами излучения: наличие пыли наиболее ярко наблюдается при поглощении излучения тёмными

туманностями расположенных за ними источников и при отражении или рассеивании, или переизлучении пылью, содержащейся в туманности излучения расположенных поблизости или в самой туманности звёзд.

• Собственное излучение газовой компоненты туманности наблюдается при её ионизации УФ излучением расположенной в туманности горячей звезды (эмиссионные области H II ионизированного водорода вокруг звёздных ассоциаций или планетарные туманности) или при нагреве межзвёздной среды ударной волной вследствие взрыва сверхновой или воздействия мощного звёздного ветра звёзд.

• Самая известная газовая туманность находится в созвездии Ориона. Её протяжённость – более 6 пк, и она заметна в безлунную ночь даже невооружённым глазом.

• Всего известно около 400 газовых туманностей.

• Газовые туманности имеют эмиссионные спектры с линиями водорода Нα и Нβ, линии запрещённых переходов дважды ионизированного кислорода ОIII (5 007 и 4 959 Å) и др. • Внутри газовой туманности (если только это не остаток вспышки сверхновой) почти всегда можно найти горячую звезду класса О или В, которая является причиной свечения всей туманности.

• Концентрация частиц в газовых туманностях невелика (10¹–10⁴ см^–3), что и объясняет наличие в их спектрах запрещённых линий, по интенсивности сравнимых с разрешёнными. При обычных концентрациях возбуждённые атомы в газе не «успевают» совершить запрещённый переход, т.к. гораздо вероятнее они сталкиваются с другими частицами. В газовых туманностях среднее время жизни между столкновениями может достигать 2·10⁶ секунд ~ 1 месяц.

Области НI и HII

• Горячие звёзды ионизируют газ (в первую очередь – водород) на больших расстояниях от себя.

• Расчёты показывают, что звёзды спектральных классов О и В0 (эффективная температура ~ 3·10⁴ К, что соответствует максимуму излучения в УФ диапазоне) способны ионизировать газ с концентрацией 1 атом на 1 см³ до расстояний в несколько десятков пк.

• Ионизированный газ прозрачен к УФ излучению, а нейтральный, напротив, поглощает его весьма интенсивно. В результате окружающая горячую звезду область ионизации имеет очень резкую границу, дальше которой водород нейтрален.

• Область (зона) H II, или область ионизированного водорода (разновидность эмиссионной туманности) — это облако горячего газа и плазмы, достигающее нескольких сотен св. лет в поперечнике, являющееся областью активного звездообразования. В этой области рождаются молодые горячие голубовато-белые звёзды, которые обильно излучают УФ излучение, тем самым ионизируя окружающую туманность.

• Области H II могут рождать тысячи звёзд за период всего в несколько миллионов лет. Взрывы сверхновых и мощный звёздный ветер, исходящий от наиболее массивных звёзд в образовавшемся звёздном скоплении, рассеивают газы такой области, и она превращается в скопление наподобие Плеяд.

• Эти области получили название из-за большого количества ионизированного атомарного водорода H II (область H I — зона нейтрального водорода). Их можно заметить на значительных

расстояниях по всей Вселенной, и изучение таких областей, находящихся в других галактиках, важно для определения расстояния до последних, а также их химического состава. Области Н II излучают не только в оптическом, но и в радиодиапазоне, причём это излучение имеет монохроматический характер и возникает при переходах атомов водорода, гелия и углерода между высоковозбуждёнными состояниями (как правило, главное квантовое число n для таких переходов лежит между 40 и 300).

Для атомов углерода был зарегистрирован переход n ′ = 733 → n ″ = 732 (длина волны 18 м).

«Размер» атома в таких высоковозбуждённых (ридберговских) состояниях приближается к 0,1 мм, что недостижимо в земных лабораториях.

Область H I — межзвёздное облако, состоящее из атомарного водорода. Эти области являются неизлучающими, за исключением радиоизлучения на длине волны 21 см. Степень ионизации в области HI очень мала (около 10⁻⁴).

Молекулярные облака

• На основе спектральных исследований в оптическом и радиодиапазонах в межзвёздном пространстве было обнаружено более 100 различных молекул.

• Наиболее интенсивны линии СН, СН+, СО, CN и гидроксила ОН.

• Примерно две трети обнаруженных молекулярных соединений являются органикой, в т.ч. альдегиды, спирты, эфиры и др. Самые большие из найденных молекул содержат более 10 атомов,

например HC11N.

• Молекулярный водород Н2 составляет значительную долю межзвёздного вещества, но его обнаружение затруднено вследствие отсутствия линий в радиодиапазоне. Молекулярный водород был обнаружен по резонансной линии 1 092 Å.

• Обширные области молекулярного газа с массами 104—106 М Ÿ называется гигантскими молекулярными облаками. Облака могут достигнуть десятков пк в диаметре и иметь среднюю плотность 102—103 см-3. Подструктура в пределах этих облаков состоит из сложных переплетений нитей, листов, пузырей и нерегулярных глыб.

• Самые плотные части нитей и глыб называют «молекулярными ядрами», а молекулярные ядра с максимальной плотностью (> 104—106 см-3) — плотными молекулярными ядрами. Молекулярные ядра связывают с угарным газом, а плотные ядра — с аммиаком.

• Гигантские молекулярные облака настолько огромны, что они могут закрывать значительную часть созвездия. Температура в отдельных облаках достигает 100 К.

• Гигантские молекулярные облака являются источниками звёздообразования.

Космические лучи

• Космические лучи (КЛ) – это элементарные частицы и атомные ядра, движущиеся со скоростями, близкими к скорости света.

• Энергии частиц КЛ достигают 10²¹ эВ. Большая часть частиц КЛ имеет энергию от 100 МэВ до 1 ГэВ. Общий поток КЛ в минимуме солнечной активности составляет около 1 частицы/(см²·с-1). Плотность энергии частиц при этом около 1 эВ/см³, что сравнимо с плотностью суммарного электромагнитного излучения в пределах Галактики.

• Для энергий, больших 2,5 ГэВ (интенсивность потока частиц таких КЛ не модулируется солнечной активностью) космические лучи на 90% состоят из протонов, на 7% из α-частиц и около 1% релятивистских электронов. Остальное – ядра Li, Be, B, C, N, O и других, более тяжёлых химических элементов.

• Проходя через земную атмосферу, КЛ сталкиваются с молекулами воздуха и порождают новые частицы (вторичные космические лучи).

• Поток КЛ изотропен, а это свидетельствует о сильной «запутанности» силовых линий межзвёздного магнитного поля, вдоль которых по спиралям движутся заряженные частицы космических лучей.

• Источниками КЛ являются звёзды, и, в первую очередь, вспышки сверхновых.