Галактики - острова вселенной
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ
Федеральное государственное бюджетное образовательное
Учреждение высшего
«КУБАНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»
Кафедра общего, стратегического, информационного менеджмента
и бизнес-процессов
РЕФЕРАТ НА ТЕМУ
«Галактики – острова вселенной»
Работу выполнила Быстрая Алина
курс 3 факультет управления и психологии
Специальность: документоведение и документационное обеспечение управления
Руководитель: Окунин Сергей Владимирович
Краснодар 2012
История изучения галактик
В 1610г. Галилео Галилей при исследовании Млечного Пути с помощью телескопа обнаружил, что Млечный Путь состоит из огромного числа слабых звёзд. В трактате 1755г, основанном на работах Томаса Райта, Эммануил Кант предположил, что Галактика может быть вращающимся телом, которое состоит из огромного количества звёзд, удерживаемых гравитационными силами, сходными с теми, что действуют в Солнечной системе, но в больших масштабах. Кант высказал и предположение, что некоторые из туманностей, видимых на ночном небе, могут быть отдельными галактиками.
Ульям Гершель высказал предположение, что туманности могут быть далёкими звёздными системами, аналогичными системе Млечного Пути. В 1785 году он попытался определить форму и размеры Млечного Пути и положения в нём Солнца.
В XIX веке считалось, что неразрешимые на звёзды туманности являются формирующимися планетными системами.
К середине XIX века Джон Гершель открыл ещё 5000 туманных объектов. Построенное на их основе распределение стало главным аргументом против предположения, что они являются далёкими «островными вселенными», подобными нашей системе Млечного Пути. Было обнаружено, что существует «зона избегания» — область, в которой нет или почти нет подобных туманностей. Эта зона находилась близ плоскости Млечного Пути и была проинтерпретирована как связь туманностей с системой Млечного Пути. Поглощение света, наиболее сильное в плоскости Галактики, было ещё неизвестно.
Вращение Галактики вокруг ядра предсказано Марианом Ковальским, который в 1860 году в «Учёных записках Казанского университета» опубликовал статью с его математическим обоснованием.
В 1865 году Уильям Хаггинс впервые получил спектр туманностей. Характер эмиссионных линии туманности Ориона явно говорил о её газовом составе, но спектр туманности Андромеды был непрерывный, как и у звёзд. Хаггинс заключил, что такой вид спектра M31 вызван высокой плотностью и непрозрачностью составляющего её газа.
В 1910 году Джордж Ричи получил снимки, на которых было видно, что спиральные ветви больших туманностей усыпаны звездообразными объектами. Это могли быть и компактные туманности, и звёздные скопления, и несколько слившихся изображений звёзд.
В 1936 году Хаббл построил классификацию галактик, которая используется по сей день и называется последовательностью Хаббла.
В конце 1940-х гг. А. А. Калиняк, В. И. Красовский и В. Б. Никонов получили первое изображение центра Галактики в инфракрасном диапазоне спектра.
Новые наблюдения, произведённые в начале 1990-х годов на космическом телескопе «Хаббл», показали, что тёмная материя в нашей Галактике не может состоять только из очень слабых и малых звёзд. На нём также были получены изображения далёкого космоса, показавшие очевидность того, что в нашей Вселенной существуют сотни миллиардов галактик.
Галактика (от древнегреческого - Млечный Путь) - гигантская гравитационно-связанная система из звёзд и звёздных скоплений, межзвёздного газа и пыли, и тёмной материи. Все объекты в составе галактик участвуют в движении относительно общего центра масс.
Галактики - чрезвычайно далёкие объекты, расстояние до ближайших из них принято измерять в мегапарсеках, а до далёких - в единицах красного смещения z. Именно из-за удалённости различить на небе невооружённым глазом можно всего лишь три из них: туманность Андромеды (видна в северном полушарии), Большое и Малое Магеллановы Облака (видны в южном).
Галактики отличаются большим разнообразием: среди них можно выделить сфероподобные эллиптические галактики, дисковые спиральные галактики, галактики с перемычкой , карликовые, неправильные и т. д. Если же говорить о числовых значениях, то, к примеру, их масса варьируется от 107 до 1012 масс Солнца, для сравнения масса нашей галактики Млечный Путь 3·1012 масс Солнца. Диаметр галактик - от 5 до 250 килопарсек (16-800 тысяч световых лет), для сравнения диаметр нашей галактики Млечный Путь около 100 000 световых лет. Самая большая известная на 2012 год галактика IC 1101 имеет диаметр более 600 килопарсек.
Одной из нерешённых проблем строения галактик является тёмная материя, проявляющая себя только в гравитационном взаимодействии. Она может составлять до 90 % от общей массы галактики, а может и полностью отсутствовать, как в карликовых галактиках.
В пространстве галактики распределены неравномерно: в одной области можно обнаружить целую группу близких галактик, а можно не обнаружить ни одной, даже самой маленькой галактики. Точное количество галактик в наблюдаемой части Вселенной неизвестно, но, по всей видимости, их порядка ста миллиардов.
Рождение галактик
Колоссальные водородные сгущения сверх галактики и скоплений галактик медленно вращались. Внутри их образовывались вихри, похожие на водовороты. Их диаметр достигал примерно ста тысяч световых лет. Мы называем эти системы протогалактиками, то есть зародыш галактик. Несмотря на свои невероятные размеры, вихри протогалактик были всего лишь ничтожной частью сверхгалактик и по размеру не превышали одну тысячную сверхгалактики. Сила гравитации образовывала из этих вихрей системы звезд, которые мы называем галактиками. Некоторые из галактик до сих пор напоминают нам гигантское завихрение.
Астрономические исследования показывают, что скорость вращения завихрения предопределила форму галактик, родившейся из этого вихря. Выражаясь научным языком, скорость осевого вращения определяет тип будущей галактики. Из медленно вращающихся вихрей возникли эллиптические галактики, в то время как из быстро вращающихся родились сплющенные спиральные галактики.
В результате силы тяготения
очень медленно вращающийся вихрь
сжимался в шар или несколько
сплюснутый эллипсоид. Размеры такого
правильного гигантского
Протогалактика, которая вообще не вращалась, становилась родоначальницей шаровой галактики. Из-за недостаточной центробежной силы преобладала сила гравитационная. Протогалактика сжималась и плотность водорода в ней возрастала. Как только плотность достигала определенного уровня, начали выделяться и сжиматься сгустки водорода. Рождались протозвезды, которые позже эволюционировали в звезды. Рождение всех звезд в шаровой или слегка приплюснутой галактике происходило почти одновременно. Этот процесс продолжается относительно недолго, примерно сто миллионов лет. Это значит, что в эллиптических галактиках все звезды приблизительно одинакового возраста, то есть очень старые. В эллиптических галактиках весь водород был исчерпан в самом начале, примерно в первую сотню существования галактики. На протяжении последующих 99 сотых этого периода звезды уже не могли возникать. Таким образом, в эллиптических галактиках количество межзвездного вещества ничтожно.
Спиральные галактики, в том числе и наша, состоят из очень старой сферической составляющей и из более молодой плоской составляющей, находящейся в спиральных рукавах. Между этими составляющими существует несколько переходных компонентов разного уровня сплюснутости, разного возраста и скорости вращения. Строение спиральных галактик, таким образом, сложнее и разнообразнее, чем строение эллиптических. Спиральные галактики кроме того вращаются значительно быстрее, чем галактики эллиптические. Не следует забывать, что они образовались из быстро вращающихся вихрей. Поэтому в создании спиральных галактик участвовали и гравитационные центробежные силы.
Если бы из нашей галактики через сто миллионов лет после ее возникновения улетучился весь межзвездный водород, новые звезды не смогли бы рождаться, и наша галактика стала бы эллиптической.
Но межзвездный газ в те далекие времена не улетучился, и, таким образом гравитация и вращение могли продолжать строительство нашей и других спиральных галактик. На каждый атом межзвездного газа действовали две силы: гравитация, притягивающая его к центру галактики и центробежная сила, выталкивающая его по направлению от оси вращения. В конечном итоге газ сжимался по направлению к галактической плоскости. В настоящее время межзвездный газ сконцентрирован к галактической плоскости в весьма тонкий слой. Он сосредоточен, прежде всего, в спиральных рукавах и представляет собой плоскую или промежуточную составляющую, названную звездным населением второго типа. На каждом этапе сплющивания межзвездного газа во все более утончающемся диске рождались звезды. Поэтому в нашей галактике можно найти, как старые, возникшие примерно десять миллиардов лет назад, так и звезды родившиеся недавно в спиральных рукавах, в так называемых ассоциациях и рассеянных скоплениях. Можно сказать, что чем более сплющена система, в которой родились звезды, тем она моложе.
Строение галактик
Распределение звезд в Галактике имеет две ярко выраженные особенности: во-первых, очень высокая концентрация звезд в галактической плоскости, и, во-вторых, большая концентрация в центре Галактики. Так, если в окрестностях Солнца, в диске, одна звезда приходится на 16 кубических парсеков, то в центре Галактики в одном кубическом парсеке находится 10 000 звезд. В плоскости Галактики помимо повышенной концентрации звезд наблюдается также повышенная концентрация пыли и газа.
Галактика состоит из диска, гало и короны. Центральная, наиболее компактная область Галактики называется ядром. В ядре высокая концентрация звезд: в каждом кубическом парсеке находятся тысячи звезд. Если бы мы жили на планете около звезды, находящейся вблизи ядра Галактики, то на небе были бы видны десятки звезд, по яркости сопоставимых с Луной. В центре Галактики предполагается существование массивной черной дыры. В кольцевой области галактического диска сосредоточено почти всё молекулярное вещество межзвездной среды; там находится наибольшее количество пульсаров, остатков сверхновых и источников инфракрасного излучения. Видимое излучение центральных областей Галактики полностью скрыто от нас мощными слоями поглощающей материи.
Галактика содержит две основных подсистемы, вложенные одна в другую и гравитационно-связанные друг с другом. Первая называется сферической - гало, ее звезды концентрируются к центру галактики, а плотность вещества, высокая в центре галактики, довольно быстро падает с удалением от него. Центральная, наиболее плотная часть гало в пределах нескольких тысяч световых лет от центра Галактики называется балдж. Вторая подсистема - это массивный звездный диск. Он представляет собой как бы два сложенных края тарелки. В диске концентрация звезд значительно больше, чем в гало. Звезды внутри диска движутся по круговым траекториям вокруг центра Галактики. В звездном диске между спиральными рукавами расположено Солнце.
Звезды галактического диска были названы населением I типа, звезды гало - населением II типа. К диску, плоской составляющей Галактики, относятся звезды ранних спектральных классов О и В, звезды рассеянных скоплений, темные пылевые туманности. Гало, наоборот, составляют объекты, возникшие на ранних стадиях эволюции Галактики: звезды шаровых скоплений, звезды типа RR Лиры. Звезды плоской составляющей по сравнению со звездами сферической составляющей отличаются большим содержанием тяжелых элементов. Возраст населения сферической составляющей превышает 12 миллиардов лет. Его обычно принимают за возраст самой Галактики.
По сравнению с гало диск вращается заметно быстрее. Скорость вращения диска не одинакова на различных расстояниях от центра. Масса диска оценивается в 150 миллиардов М. В диске находятся спиральные ветви (рукава). Молодые звезды и очаги звездообразования расположены, в основном, вдоль рукавов.
Диск и окружающее его гало погружены в корону. В настоящее время считают, что размеры короны Галактики в 10 раз больше, чем размеры диска.
Виды галактик
Эллиптические галактики - класс галактик с чётко выраженной сферической (эллипсоидной) структурой и уменьшающейся к краям яркостью. Они построены из звёзд красных и жёлтых гигантов, красных и жёлтых карликов и некоторого количества белых звёзд не очень высокой светимости. Отсутствуют бело-голубые гиганты и сверхгиганты. Нет пылевой материи, которая в тех галактиках, в которых она имеется, видна как тёмные полосы на непрерывном фоне звёзд галактики. Поэтому внешне эллиптические галактики отличаются друг от друга в основном одной чертой - большим или меньшим сжатием. Хаббл предложил показателем сжатия считать величину, которую можно вычислить, зная большую и малую ось её эллипса. Если галактика имеет форму шара, то её величина сжатия равна нулю, так как большая и малая оси эллипса равны. Если большая ось существенно больше малой, то иной класс, максимальный класс в этой системе - 10. Записываются эти данные так: E0, Е7, где E - это класс (эллиптическая), цифра - подкласс. Кроме того, эллиптические галактики могут сильно отличаться друг от друга по размеру. Образование новых звезд в эллиптических галактиках практически не идёт.
Спиральные галактики - один из основных типов галактик, разновидность галактик в последовательности Хаббла, которые характеризуются следующими физическими свойствами:
- значительный суммарный вращательный момент;
- состоят из центрального балджа (почти сферического утолщения), окружённого диском: балдж имеет сходство с эллиптической галактикой, содержащей множество старых звёзд - так называемое «Население II» - и нередко сверхмассивную чёрную дыру в центре;
- диск является плоским вращающимся образованием, состоящим из межзвёздного вещества, молодых звёзд «Населения I» и рассеянных звёздных скоплений.
Спиральные галактики названы так, потому что имеют внутри диска яркие рукава звёздного происхождения, которые почти логарифмически простираются из балджа. Хотя иногда их нелегко различить (например, во флоккулентных спиралях), эти рукава служат основным признаком, по которому спиральные галактики отличаются от линзообразных галактик, для которых характерно дисковое строение и отсутствие ярко выраженной спирали. Спиральные рукава представляют собой области активного звездообразования и состоят по большей части из молодых горячих звёзд, именно поэтому рукава хорошо выделяются в видимой части спектра. Абсолютное большинство наблюдаемых спиральных галактик вращается в сторону закручивания спиральных ветвей.
Диск спиральной галактики
обычно окружён большим сфероидальным
гало, состоящим из старых звёзд
«Населения II», большинство которых
сосредоточено в шаровых
Многие (в среднем две из трёх) спиральные галактики имеют в центре перемычку, от концов которой отходят спиральные рукава. В рукавах содержится значительная часть пыли и газа, также множество звёздных скоплений. Вещество в них вращается вокруг центра галактики под действием гравитации.
Наша Галактика, как демонстрируют недавние наблюдения в ИК-диапазоне на Космическом телескопе имени Спитцера и многолетние радиоастрономические наблюдения, также относится к спиральным галактикам с перемычкой.
Спиральные рукава
Известен следующий парадокс: время обращения звёзд вокруг ядра галактики составляет порядка 100 миллионов лет, возраст самих галактик в несколько десятков раз больше. Между тем спирали закручены как правило на небольшое число оборотов. Парадокс объясняется тем, что принадлежность звёзд спиралям не постоянна: звёзды входят в область, занимаемую спиральным рукавом, на некоторое время замедляют своё движение в этой области, и покидают спираль. Между тем спираль, как область повышенной плотности вещества в диске спиральной галактики, может существовать неограниченно долго - спирали подобны стоячим волнам.
Спирали галактик могут несильно отличаться по количеству звёзд от окружающего их диска, но могут быть существенно ярче. Газовые облака, пересекая спираль, испытывают сжатие или расширение, порождающие ударные волны в газе. Всё это приводит к нарушению равновесия в облаках и интенсивному звёздообразованию в области спирали. А если учесть, что время жизни ярчайших гигантов и сверхгигантов в тысячи раз меньше, чем возраст Солнца, то получается что большинство ярких голубых звёзд собрано в небольшом объёме спирального рукава: сверхгиганты не успевают покинуть спираль за те несколько миллионов лет, которые существуют до взрыва сверхновой. Как следствие, большое количество голубых сверхгигантов придаёт спиралям галактик яркий голубоватый оттенок.
Карликовые галактики - небольшие галактики, состоящие из нескольких миллиардов звёзд (что очень мало по сравнению, например, с нашей Галактикой, насчитывающей около 200-400 миллиардов звёзд). К карликовым относят галактики со светимостью меньше 109 L (примерно в 100 раз меньше светимости Млечного Пути). Большое Магелланово Облако, включающее 30 миллиардов звёзд, иногда классифицируется как карликовая галактика, в то время как другие рассматривают её как полноценную галактику, движущуюся вокруг Млечного Пути.
Очень сильно разнятся карликовые галактики по поверхностной яркости. Если обычные галактики имеют среднюю поверхностную яркость примерно равную яркости ночного неба, то карликовые галактики отличаются друг от друга по своей поверхностной яркости более чем на 10m.
Неправильные галактики - это галактики, не вписывающиеся в последовательность Хаббла. Они 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 четвертую от всех галактик. Большинство неправильных галактик в прошлом являлись спиральными или эллиптическими, но были деформированы гравитационными силами.
Существует два больших типа неправильных галактик:
Неправильные галактики первого типа представляют собой неправильные галактики, имеющие намеки на структуру, которых, однако, не достаточно, чтобы отнести их к последовательности Хаббла. Существует два подтипа таких галактик - обнаруживающих подобие спиральной структуры, и с отсутствием таковой.
Неправильные галактики второго типа - это галактики, не имеющие никаких особенностей в своей структуре, позволяющих отнести их к последовательности Хаббла.
Третий подтип неправильных галактик - так называемые карликовые неправильные галактики, обозначаемые как dI или dIrrs. Этот тип галактик в настоящее время считается важным звеном в понимании общей эволюции галактик. Вызвано это тем, что они обнаруживают тенденцию низкого содержания металлов и экстремально высокого содержания газа и поэтому подразумеваются схожими с самыми ранними галактиками, заполнявшими Вселенную. Этот тип галактик может представлять местную версию тусклых голубых галактик, обнаруженных в ходе миссии «Hubble Ultra Deep Field».
Некоторые неправильные галактики являются маленькими спиральными галактиками, разрушенными приливными силами больших компаньонов.
В прошлом считалось, что Большое и Малое Магеллановы облака относятся к неправильным галактикам. Однако позже было обнаружено, что они имеют спиральную структуру с баром. Поэтому эти галактики были переквалифицированы в SBm, четвёртый тип спиральных галактик с баром.
Линзообразные галактики – занимают промежуточное положение между эллиптическими и спиральными галактиками, но не являются результатом эволюции галактик одного типа в галактики другого типа. У них есть гало и диск, но нет спиральных рукавов. Такие галактики обозначаются S0.Однако звездное население линзовидных галактик похоже на население эллиптических галактик и состоит из старых красных звезд-гигантов. Поэтому цвет линзовидных галактик тоже красноватый. Две третьи линзовидных галактик, подобно эллиптическим, не содержит газа, в одной трети содержания газа такое же, что и у спиральных галактик. Сам факт, что линзовидные галактики чаще встречаются в плотных скоплениях, а также то, что спиральные галактики изолированнее, чем линзовидные, свидетельствуют в пользу гипотезы о потере линзовидными галактиками газа в результате трения о межгалактический газ, которым заполнены скопления галактик. В результате эволюция этих галактик оказалась прерванной, сделав невозможным дальнейшее звездообразование, которое прекратилось около 5 млрд лет назад.
Радиогалактики - галактики с мощным радиоизлучением, которое в тысячу и более раз превышает мощность радиоизлучения таких галактик как наша. Причиной мощного радиоизлучения является выброс высокоэнергичных частиц (протонов и электронов) из активного ядра галактики, где они получают большую энергию и разгоняются до околосветовых скоростей. Радиоизлучение возникает при движении быстрых электронов в слабых магнитных полях. Основной поток радиоволн в некоторых случаях исходит из центральной части галактики, а в некоторых - из гигантских по объему областей за пределами галактики, которые обычно расположены симметрично с ее ядром. Радиогалактики почти всегда относятся к числу массивных эллиптических галактик. Ближайшая к нам радиогалактика - яркая пекулярная галактика NGC 5128 известная как радиоисточник Центавр А (эллиптическая галактика с протяженным газопылевым диском вдоль ее малой оси, который наблюдается с ребра). Более мощной радиогалактикой является ярчайшая эллиптическая галактика М87 в скоплении Девы. Наиболее мощные из известных радиогалактик излучают энергию, которая сопоставима с энергией оптического излучения всех звезд галактики вместе взятых. Примером таких объектов является радиогалактика Лебедь А, которая, находясь на расстоянии более миллиарда св. лет от нас, является одним из самых ярких радиоисточников на небе.
