Космос.
ГЛАВА IV.
ЗВЁЗДНЫЕ СИСТЕМЫ — ГАЛАКТИКИ.
Млечный Путь.
Наш «дом» — Солнечная система — погружён в огромную светящуюся звёздную систему — Галактику. Мы видим её на небе как Млечный Путь — светящуюся полосу, пересекающую небосклон в ясные безлунные ночи. Наша Галактика насчитывает сотни миллиардов звёзд самых разных светимостей, масс и возрастов, а также многочисленные газопылевые облака, которые ослабляют свет удалённых светил. Первые исследователи Галактики не знали о поглощающем веществе и считали, что видят все её звёзды.
Истинные размеры Галактики были установлены только в XX в. Оказалось, что её диск является плоским образованием: диаметр галактического диска превышает 100 тыс. световых лет, а толщина — около 1000 световых лет. По форме Галактика напоминает компакт-диск с утолщением посередине.Поскольку Солнечная система находится практически в плоскости Галактики, заполненной поглощающей материей, многие детали строения Млечного Пути скрыты от взгляда земного наблюдателя. Однако их можно изучать на примере других галактик, сходных с нашей. Так, в 1940-х гг., наблюдая галактику М 31, больше известную как туманность Андромеды, немецкий астроном Вальтер Бааде заметил, что плоский линзообразный диск этой огромной галактики погружён в более разреженное звёздное облако сферической формы — гало. А поскольку туманность Андромеды очень похожа на Галактику, Бааде предположил, что подобная структура имеется и у Млечного Пути.
Границы Галактики определяются размерами гало. Радиус гало значительно больше размеров диска и по некоторым данным достигает нескольких сотен тысяч световых лет. Центр симметрии гало Млечного Пути совпадает с центром галактического диска.Состоит гало в основном из очень старых, неярких маломассивных звёзд. Они встречаются как поодиночке, так и в виде шаровых скоплений, которые могут включать в себя более миллиона звёзд. Возраст населения сферической составляющей Галактики превышает 12 млрд. лет. Его обычно принимают за возраст самой Галактики.
Одним из наиболее заметных образований в дисках галактик, подобных нашей, являются спиральные ветви (или рукава). Они и дали название этому типу объектов — спиральные галактики. Спиральная структура нашей Галактики очень хорошо развита. Вдоль рукавов в основном сосредоточены самые молодые звёзды, многие рассеянные звёздные скопления и ассоциации, а также цепочки плотных облаков межзвёздного газа, в которых продолжают образовываться звёзды.
Расстояние от Солнца до центра Галактики составляет 23–28 тыс. световых лет, или 7–9 тыс. парсек. Иными словами, Солнце расположено посередине между центром и краем диска. Вместе со всеми близкими звёздами Солнце вращается вокруг центра Галактики со скоростью 220–240 км/с, совершая один оборот примерно за 200 млн. лет. За время своего существования Солнце и планеты облетели вокруг центра Галактики не больше 30 раз.
Многообразие галактик.
Галактики — это большие звёздные системы, в которых звёзды связаны друг с другом силами гравитации. Самые крупные галактики включают в себя триллионы звёзд. Млечный Путь можно считать довольно большой системой: в ней более 200 млрд. звёзд. Самые маленькие галактики содержат в миллион раз меньше звёзд и скорее напоминают шаровые скопления, только значительно больше по размерам. Диапазон диаметров наблюдаемых галактик также впечатляет: от нескольких сотен до сотен тысяч световых лет.
Помимо звёзд и планетных систем вокруг некоторых из них галактики включают в себя межзвёздный газ, межзвёздную пыль, а также продукты звёздной эволюции: белые карлики, нейтронные звезды, чёрные дыры. Часть газа в галактиках просто рассеяна между звёздами, а часть образует облака различной массы и плотности, в том числе массивные молекулярные облака с массой до миллиона масс Солнца. Небольшая доля газа приходится на яркие туманности вокруг горячих звёзд.
Неправильная галактика Сигара.
Существенная часть массы галактик приходится на тёмную (небарионную, т. е. не состоящую из атомов) материю, которая взаимодействует с обычным веществом только через гравитационное поле. Видимая материя погружена в протяжённое тёмное гало. Полная масса тёмного гало, простирающегося намного дальше видимой материи, как правило, на порядок выше массы обычной, барионной, материи, содержащейся в галактике.
Виды галактик.
Согласно наиболее распространённой схеме классификации по внешнему виду и структуре, предложенной Э. Хабблом, галактики принято относить к одному из четырех морфологических типов.
Эллиптические галактики составляют около четверти от общего числа галактик высокой светимости. На фотографиях они выглядят как нерезкий эллипс, яркость которого быстро спадает от центра. Цвет у эллиптических галактик красноватый, так как состоят они преимущественно из старых звёзд. Холодного газа в таких системах почти нет, но наиболее массивные из них заполнены очень разреженным горячим газом температурой более миллиона градусов.
Спиральные галактики — это галактики, обладающие звёздными дисками, в которых присутствуют спиральные ветви. Если диск галактики наблюдается с ребра, то по внешнему виду она напоминает чечевицу или двояковыпуклую линзу. Диск погружён в разреженное слабосветящееся сфероидальное облако звёзд — гало. К этому классу принадлежит половина всех наблюдаемых галактик в «локальной области» Вселенной.Среди спиральных галактик выделяют системы с гладкими, туго закрученными спиральными ветвями. У них имеется яркий и протяжённый балдж (центральное шарообразное утолщение), а рукава, наоборот, слабоконтрастные и размытые. У других спиральных галактик спирали более мощные и чёткие, а центральное утолщение менее заметно. Есть галактики с клочковатой спиральной структурой, балдж у которых отсутствует или едва заметен, а у части спиральных систем (по некоторым оценкам, более половины от общего числа) в центральной области имеется вытянутая звёздная перемычка — бар.
Помимо нормальных (больших и сравнительно ярких) галактик наблюдается множество небольших звёздных систем, которые называют карликовыми галактиками. Это слабые галактики с низкой поверхностной яркостью. Количество карликовых звёздных систем значительно превышает нормальные: возле нашей Галактики, например, насчитывается пять нормальных и несколько десятков карликовых галактик (сейчас их известно около 50). Галактик с хорошо развитыми спиральными ветвями среди карликов не встречается.Линзовидные галактики — это промежуточный тип между спиральными и эллиптическими. У них есть балдж, гало и диск, но нет чётких спиральных рукавов. Среди всех звёздных систем их примерно 20%. Все прочие галактики, в которых отсутствует симметрия, Хаббл классифицировал как неправильные галактики. Для них характерна неправильная, клочковатая форма. В таких галактиках содержится много газа — иногда более 50% их общей массы — и активно рождаются звёзды.
Невооружённым глазом на тёмном небе можно заметить лишь одну галактику в Северном полушарии и две — в Южном. Ближайшими к нам и самыми яркими на небе галактиками являются Магеллановы Облака, не наблюдаемые в средних широтах Северного полушария. Эти галактики выглядят как два туманных облачка, подобно двум оторвавшимся кусочкам Млечного Пути.
Магеллановы Облака — одни из самых протяжённых астрономических объектов на небе. Большое Магелланово Облако (БМО) имеет длину более 5°, т. е. 10 видимых диаметров Луны. Малое Магелланово Облако (ММО) — чуть более 2°. На фотографиях же, где удаётся зафиксировать и их слабые внешние районы, размеры Облаков равны соответственно 10° и 6°.
Если свет от БМО собрать в одну точку на небе, то получится объект, сравнимый по блеску с яркими звёздами. Свет от БМО идёт к нам около 200 тыс. лет, а от ММО — около 170 тыс. лет. Оба Облака относятся к неправильным галактикам.
Галактика Малое Магелланово Облако.
Жители Северного полушария невооружённым глазом с трудом, но всё же могут увидеть небольшое туманное пятно в созвездии Андромеды, которое является самой близкой к нам спиральной галактикой, к тому же похожей по своим параметрам на нашу. Туманное пятнышко в созвездии Андромеды сегодня предстаёт перед наблюдателем таким, каким оно было примерно 2 млн. лет назад: именно столько путешествует свет от туманности Андромеды до нас. По внегалактическим масштабам это очень небольшое расстояние.
У некоторых галактик наблюдается всплеск активности ядра — выделение большого количества энергии в крошечной центральной области, сопоставимой по размеру с Солнечной системой. Активным ядром обладает около 1% массивных галактик — как спиральных, так и эллиптических, причём не обязательно взаимодействующих.
Галактика М51 (водоворот) и её спутник NGC 5195.
Из активного ядра происходит выброс газа, потоков высокоэнергичных электронов и протонов. Галактики с активными ядрами часто оказываются мощными источниками радиоизлучения. В ядре рождается также мощное коротковолновое излучение (ультрафиолетовое, рентгеновское, гамма-излучение).
Взаимодействующие галактики.
В середине XX столетия крупные телескопы позволили астрономам исследовать положения и формы десятков тысяч далёких галактик. Обращало на себя внимание, что часть галактик (5–10%) имеет весьма странный, искажённый вид, так что их иногда трудно отнести к какому-то морфологическому типу. Причём почти во всех случаях эти галактики имеют одного или нескольких близких соседей.
Иногда две галактики бывают окружены общим светящимся звёздным туманом, а иногда связаны звёздной или газовой перемычкой. Нередко у галактик наблюдаются длинные хвосты из звёзд и разреженного газа, уходящие на сотни тысяч световых лет в межгалактическое пространство. Во всех этих случаях мы наблюдаем результат воздействия галактик друг на друга.
Статистические исследования привели к выводу, что большинство взаимодействующих галактик — это не случайно встретившиеся странники во Вселенной, а родственники, связанные общим происхождением. В своём движении они то сближаются, то удаляются друг от друга, а в некоторых случаях наблюдается их слияние в единую систему.
Основной силой, искажающей формы галактик, является сила гравитации со стороны соседней системы. При сближении галактик эта сила сообщает дополнительное ускорение звёздам и газовым облакам, причём неодинаковое для разных частей галактики. Такое неоднородное гравитационное воздействие одного массивного объекта на другой называют приливным.Характер взаимодействия галактик и его результат зависят, помимо расстояния максимального сближения, от многих факторов. Например, от того, обладает ли данная галактика звёздным диском или нет, много ли в ней межзвёздного газа, каковы относительные размеры галактик и массы, а также в каком направлении и с какой скоростью они движутся относительно друг друга. Поэтому наблюдаемые формы взаимодействующих систем так разнообразны.
Взаимодействие играет очень большую роль в эволюции галактик. В современную эпоху несколько процентов галактик входит в состав сильно взаимодействующих систем. Многие галактики должны были испытать сильное взаимодействие, завершившееся слиянием, в далёком прошлом. Сейчас их внешний вид может быть совершенно нормален, и только специальные исследования позволяют заподозрить некогда пережитые ими бурные процессы.
Взаимодействие галактик не ограничивается простым изменением их формы и структуры. В некоторых случаях взаимодействие пробуждает активность галактического ядра. Но чаще сильное влияние галактик друг на друга приводит к вспышке звездообразования, при условии, конечно, что в галактиках имеется достаточно много межзвёздного газа. Самая близкая к нам галактика с мощной вспышкой звездообразования — это неправильная галактика М82, взаимодействующая с гигантской спиральной галактикой М81 в созвездии Большая Медведица.
Детальный снимок небольшого участка пространства в созвездии Печь. Снимок был представлен 25 сентября 2012 г.
Нашу Галактику можно отнести к числу слабо взаимодействующих. Она испытывает гравитационное воздействие со стороны близких спутников — Большого и Малого Магеллановых Облаков. Влияние нашей Галактики на эти небольшие системы намного сильнее и драматичнее: проходя на близком расстоянии от неё, они разрушаются. Через несколько миллиардов лет Магеллановы Облака войдут в нашу Галактику и постепенно растворятся в ней.
Расширяющаяся Вселенная.
Звёздное небо над головой долгое время было для человека символом вечности и неизменности. Лишь в Новое время люди осознали, что «неподвижные» звёзды на самом деле движутся, причём с огромными скоростями. В XX в. человечество свыклось с ещё более странным фактом: расстояния между звёздными системами — галактиками, не связанными друг с другом силами тяготения, постоянно увеличиваются. И дело здесь не в природе галактик: сама Вселенная непрерывно расширяется! Естествознанию пришлось расстаться с одним из своих основополагающих принципов, согласно которому все вещи меняются в этом мире, но мир в целом всегда одинаков. Это можно считать важнейшим научным событием XX в.
В 1929 г. американский астроном Эдвин Хаббл обнаружил расширение наблюдаемого мира галактик. Оказалось, что галактики удаляются от нашей Галактики со скоростями в сотни километров в секунду. Более того, из наблюдений следовало, что чем дальше находится объект, тем с большей скоростью он от нас удаляется. Закон, по которому скорость удаления пропорциональна расстоянию, получил название закона Хаббла.
Однако это не означает, что наша Галактика является центром, от которого и идёт расширение. Наблюдатель в любой точке Вселенной должен увидеть ту же самую картину. Этот факт может быть проиллюстрирован следующим образом. Если на поверхности воздушного шарика нарисовать галактики и начать надувать его, то расстояния между изображениями будут возрастать, причём тем быстрее, чем дальше они расположены друг от друга. Разница лишь в том, что нарисованные на шарике галактики и сами увеличиваются в размерах, реальные же звёздные системы повсюду во Вселенной могут сохранять свои размеры, так как составляющие их звёзды и газ связаны между собой силами гравитации.
Компьютерная модель, показывающая структуру Вселенной. Жёлтым обозначена материя, чёрным — пустота, фиолетовым — наблюдаемая лишь косвенно загадочная тёмная материя. Каждая жёлтая точка — одна галактика, пятна покрупнее — скопления и сверхскопления галактик.
Скопление галактик.
Но если Вселенная расширяется, то сегодня мы видим её не такой, какой она была в прошлом. Миллиарды лет назад галактики располагались значительно ближе друг к другу. Ещё раньше отдельных галактик просто не могло существовать, а совсем близко к началу расширения даже мелкие небесные тела не вместились бы в том небольшом объеме, который тогда занимала вся наблюдаемая сейчас часть безграничной Вселенной. Сама эпоха, когда расширение Вселенной стартовало (момент этого «старта» часто называют Большим взрывом), удалена от нас примерно на 13–14 млрд. лет.
* * *
Гравитационные линзы Гравитационными линзами называют объекты, которые своим полем тяготения заметно искривляют световые лучи, проходящие вблизи или сквозь них. Из-за этого изображение удалённого источника (звезды, галактики, квазара), свет которого проходит вблизи такого объекта, искажается или даже представляется в виде нескольких отдельных изображений. В принципе любое тело способно «собирать» своим гравитационным полем параллельные лучи света в некотором фокусе подобно оптическим линзам (хотя, в отличие от обычной линзы, расстояние до такого фокуса будет очень большим и к тому же различным для лучей, проходящих на разном расстоянии от «линзы»). Но только астрономические объекты огромной массы типа звёзд, галактик или их скоплений могут создавать заметный эффект. Дело в том, что порция светя — фотон формально может рассматриваться как частица, обладающая массой. Поэтому вблизи притягивающего тела траектория фотона должна отклоняться от прямой линии (даже в рамках ньютоновской физики). Этот эффект впервые был обнаружен английским астрофизиком Артуром Эддингтоном в 1919 г. по наблюдениям полного солнечного затмения: звёзды, которые были заметны вблизи края солнечного диска, оказались дальше от него, чем должны были быть, если бы свет от них распространялся по прямой. Угол, на который фотоны отклонялись в поле тяготения Солнца, в точности соответствовал предсказаниям теории относительности Эйнштейна — вдвое больше, чем по ньютоновской теории. Сейчас известно множество надёжно установленных гравитационных линз. В основном наблюдаются квазары (особо мощные и сильно удалённые от нас активные ядра галактик), изображения которых «размножены» попадающими на луч зрения близкими галактиками. Почему квазары? Это одни из самых далёких и ярких объектов во Вселенной, а значит, наблюдать явление гравитационной линзы для них намного проще. Ведь чем дальше от нас находится объект, тем больше вероятность того, что на луче зрения попадётся какая-нибудь галактика. В конце 1980-х гг. стали наблюдаться гравитационные линзы на скоплениях галактик. При этом было обнаружено, что изображения слабых голубых галактик, находящихся за линзирующим скоплением, имеют вытянутую дугообразную форму. Если сквозь скопление видно много далёких галактик, то удаётся обнаружить эффект слабого гравитационного линзирования, который проявляется лишь в небольшом искажении формы галактик (изображения немного вытягиваются, и это можно обнаружить, измеряя степень и направление их вытянутости и усредняя по большому числу объектов). По этому эффекту удаётся измерить распределение плотности вещества внутри скопления.
Наблюдаемая структура Вселенной определяется тем, что астрономические тела обладают тенденцией группироваться в огромные системы. Звёзды могут образовывать пары, входить в состав звёздных скоплений или ассоциаций. Крупнейшими объединениями звёзд являются галактики. Но и они редко наблюдаются как одиночные. Более 90% ярких галактик входят либо в небольшие группы, содержащие лишь несколько крупных членов (такова, например, Местная группа галактик), либо в скопления, в которых их насчитываются многие тысячи.
Галактики и их группы распределены в пространстве не равномерно, а образуют скопления, обычно неправильной формы. Скопления галактик, по-видимому, самые крупные устойчивые системы во Вселенной, их гравитационное поле не позволяет галактикам разлететься. Существуют и более протяжённые образования: цепочки из скоплений или гигантские сравнительно плоские поля, усеянные галактиками и скоплениями (так называемые стенки). Но гравитация не удерживает эти системы, и они расширяются примерно с тем же темпом, что и вся Вселенная в целом.
Области повышенной концентрации галактик и их систем чередуются в пространстве с обширными пустотами размерами в сотни миллионов световых лет, которые почти не содержат галактик, образуя в пространстве трёхмерную «сеть».
* * *
Новейшие проекты — «Радиоастрон» и «Миллиметрон» Два проекта исследования космоса осуществляются в наши дни при ведущем участии российских ученых и крупнейших космических предприятий России. Один из них называется «Радиоастрон». Этот международный космический проект создан для проведения фундаментальных астрофизических исследований в радиодиапазоне электромагнитного спектра с помощью космического радиотелескопа, смонтированного на российском космическом аппарате «Спектр-Р». Координатор проекта — Астрокосмический центр ФИАН под руководством академика Николая Семёновича Кардашева. Основу проекта составляет наземно-космический радиоинтерферометр со сверхдлинной базой, состоящий из сети наземных радиотелескопов и космического радиотелескопа, установленного на российском космическом аппарате «Спектр-Р». Создатель аппарата «Спектр-Р» — НПО им. С.А.Лавочкина. Запуск аппарата произведён 18 июля 2011 года с космодрома Байконур. Космический радиотелескоп с приёмной параболической антенной диаметром 10 метров выведен на высокоапогейную орбиту спутника Земли высотой до 350 тыс. км в составе космического аппарата «Спектр-Р». Он является крупнейшим в мире космическим телескопом, что было отмечено в книге рекордов Гиннеса. Главная научная цель миссии — исследование астрономических объектов различных типов с беспрецедентным разрешением до миллионных долей угловой секунды. Разрешение, достигнутое с помощью проекта «Радиоастрон», позволяет изучать: — релятивистские струи, а также непосредственные окрестности сверхмассивных чёрных дыр в активных галактиках, — строение и динамику областей звездообразования в нашей Галактике по их лазерному излучению, — нейтронные звёзды и чёрные дыры в нашей Галактике, — структуру и распределение межзвёздной и межпланетной плазмы по расщеплению и флуктуациям изображений пульсаров, — эффекты общей теории относительности в гравитационном поле Земли.
Николай Семёнович Кардашев — известный российский астроном и астрофизик, академик РАН; директор Астрокосмического центра Физического института академии наук России; руководитель проектов «Радиоастрон» и «Миллиметрон».
Российский космический аппарат «Спектр-Р» или «Радиоастрон» — огромный орбитальный радиотелескоп. Диаметр его антенны — 10 м. «Радиоастрон» зарегистрирован в книге рекордов Гиннеса как крупнейший в мире среди космических радиотелескопов.
В связи с программой предполагается широкий спектр исследований фундаментального характера. «Радиоастрон» может быть также использован для высокоточного отслеживания перемещения в пространстве наиболее далеких потенциально опасных объектов (астероидов и комет). Для этого желательно разместить на этих объектах радиомаяки. «Миллиметрон» (Спектр-М) — космическая обсерватория миллиметрового и инфракрасного диапазонов длин волн с криогенным телескопом диаметром 10 м. Запуск планируется после 2019 года. Разработчик проекта — Астрокосмический центр ФИАН. «Миллиметрон» предназначен для проведения высокоточных исследований космических объектов в дальнем инфракрасном, субмиллиметровом и миллиметровом диапазонах спектра электромагнитного излучения. Также как и «Радиоастрон», «Миллиметрон» сможет работать как в режиме одиночного телескопа, так и в составе интерферометра с базами «Земля-Космос» (с наземными телескопами). По мнению ведущего автора проекта — академика Н.С. Кардашева, именно возможность приема информации в названном интервале длин волн позволит использовать обсерваторию «Миллиметрон» и в интересах космической защиты Земли. Таким образом, эти проекты в ближайшем будущем смогут внести вклад и в разрешение фундаментальных проблем астрономии и космологии, и в космическую защиту нашей планеты.
Перспективная космическая обсерватория «Миллиметрон» или «Спектр-М», создаваемая в настоящее время (2010–2019 гг.) в НПО им. С.А.Лавочкина.
Находясь в космосе уже несколько лет, «Радиоастрон» собрал большой объем данных, которые сейчас активно изучаются астрономами и астрофизиками России и всего мира. На основе этих данных уже выпускаются и ещё будут выходить в свет многочисленные публикации в мировых научных изданиях. Этот космический аппарат примечателен ещё и тем, что к моменту старта был первым астрофизическим инструментом, выведенным Россией в космос за долгое время, возобновив лидерство нашей страны в этой области.