Методические материалы, статьи

Галактика знакомая и незнакомая

Сегодня всем известно, что мы живем в гигантской звездной системе — галактике Млечный Путь, объединяющей сотни миллиардов звезд, среди которых и наше Солнце. Астрономы выяснили это сравнительно недавно, но с тех пор успели продвинуться в глубины Вселенной на миллиарды световых лет, изучить тысячи близких и далеких галактик, даже понять историю Вселенной. Ну а что же наш собственный звездный дом, наша Галактика: сумели мы понять ее?

Юбилей несостоявшегося открытия

Скоро астрономы собираются отметить странный юбилей: сто лет назад человечество могло бы открыть для себя мир галактик, Большую Вселенную. Но этого не случилось: по стечению обстоятельств открытие задержалось на четверть века.

А дело было так. Начиная с середины XVIII века, самые прозорливые из астрономов и философов, в том числе Кант, стали догадываться, что бледные туманные пятнышки на звездном небе могут быть далекими Млечными Путями, гигантскими звездными системами, в одной из которых находится наше Солнце. Но доказательств этому не было. Лишь в самом конце XIX века, с появлением фотографии и спектроскопа, наметился прогресс. В 1899 году немецкий астроном Юлиус Шейнер из Потсдамской обсерватории обнаружил сходство между оптическими спектрами Солнца и самого крупного из «туманных пятен» — знаменитой теперь туманности Андромеды. На этом основании он совершенно справедливо предположил, что туманность Андромеды, возможно, является гигантским скопищем звезд, подобных Солнцу.

Именно гигантским и очень далеким, ибо туманный, расплывчатый вид этого объекта ясно показывал, что составляющие его звезды не видны по отдельности, а значит — это скопление огромного количества чрезвычайно удаленных от нас звезд. Впрочем, это понимал еще Кант. А поскольку еще со времен Вильяма Гершеля астрономам были известны тысячи «туманных пятен», подобных тому, что в Андромеде, после открытия Шейнера оставался всего один шаг до осознания гигантских размеров Вселенной и нашего в ней дома — Галактики. Но вместо этого было сделано несколько шагов назад.

Сначала астрономы попытались определить параллакс туманности Андромеды, то есть ее кажущееся смещение, вызванное годовым движением Земли по орбите. Это надежный метод измерения расстояний: чем меньше параллакс, тем дальше объект. В результате ошибок измерения параллакс туманности получился гигантский, а расстояние — мизерное, всего девятнадцать световых лет. Складывалось впечатление, что она находится буквально за порогом Солнечной системы, среди ближайших звезд.

К тому же американский астроном Весто Слайфер обнаружил, что спектры пылевых туманностей, окружающих яркие звезды Плеяд, очень похожи на спектры этих звезд (что, впрочем, вполне естественно, поскольку облака межзвездной пыли просто отражают свет звезд). Слайфер писал: «Это наблюдение туманности в Плеядах навело меня на мысль, что туманность Андромеды и подобные спиральные туманности могут состоять из центральной звезды, окруженной и затемненной клочковатой и разреженной материей, которая сияет отраженным светом центрального солнца. Эта концепция согласуется со спектрами туманности Андромеды, а также с оценкой ее параллакса».

Стали появляться и другие аргументы в защиту «маленькой Вселенной»; мир звезд сузился до размеров Млечного Пути. «Островные вселенные» Гершеля растаяли в тумане … Понадобилось несколько десятилетий ХХ века, чтобы исправить ошибки и найти новые доказательства существования звездных архипелагов — галактик. В результате этих открытий наша Галактика стала лишь малой частицей этого огромного мира. Но очень важной для нас.

Как выглядит Галактика?

В начале ХХ века почти все астрономические знания касались нашей звездной системы и почти ничего не было известно об иных. Но сейчас, в конце века, ситуация обратная: мы очень подробно изучили соседей, но сравнительно мало знаем о собственном звездном доме. Более того, о внешнем виде и устройстве нашей Галактики мы судим в основном по аналогии с хорошо изученными соседними системами. Кажется, и в этом случае поэт оказался прав: «Большое видится на расстояньи».

Почему же трудно изучать собственную звездную систему? Известная американская исследовательница звезд Сесилия Пейн-Гапошкина так описывала эти трудности: «Проблему исследования нашей собственной Галактики можно сравнить с заданием: стоя на пересечении 125-й улицы и Парк-авеню, составить карту Нью-Йорка. Хотя наблюдателю, расположенному в этой точке, было бы ясно, что город очень велик, какое-либо суждение о его протяженности и плане было бы, очевидно, невозможно. Для лучшей аналогии следовало бы выбрать Лондон с его туманами и смогом».

Достоверно известно, что мы живем в крупной галактике, содержащей сотни миллиардов звезд. Наблюдения аналогичных соседних систем убеждают нас, что формы подобных объектов не отличаются большим разнообразием. Фактически они бывают двух типов: 1) медленно вращающиеся, лишенные межзвездного газа и пыли, а потому лишенные и молодых звезд эллиптические галактики; а также 2) быстро вращающиеся, сплюснутые, богатые газом и молодыми звездами спиральные галактики. Полоса Млечного Пути, рассекающая небосвод на две равные части, обилие облаков холодного и горячего межзвездного газа, а также изрядное количество молодых звезд убеждают нас в том, что наша Галактика относится к разряду уплощенных быстро вращающихся спиральных систем.

Однако и среди спиральных систем велико разнообразие типов. Не ясно, является наша Галактика простой спиральной системой или она пересечена центральной перемычкой — баром (рис. 0). Признаки бара замечены, но насколько он велик и как расположен — непонятно. Не ясно также, насколько сильно развиты у Галактики спиральные рукава, то есть к какому классу спиралей она относится. У одного класса рукава тонкие и туго закрученные, у другого — они гораздо более мощные и широко раскинутые.

Давно спорят астрономы, в каком месте Галактики расположено Солнце. Долго считалось, что мы находимся вблизи центра Галактики, хотя некоторые ученые начали сомневаться в этом еще в начале века (рис. 0). Лишь к сороковым годам окончательно выяснилось, что мы очень далеки от ее центра, лежащего в направлении границы созвездий Стрельца и Скорпиона. Для оптического телескопа ядро Галактики совершенно недоступно; нащупать его удалось лишь с помощью радио- и инфракрасных лучей, которые не так сильно, как свет, поглощаются межзвездной пылью. Эта же техника позволила оглядеть далекие участки Галактики. Но нужно признаться, что до сих пор качество информации, полученной с помощью радио- и инфракрасных телескопов, уступает оптическим данным, и мы многого не понимаем, разглядывая, например, радиокарты Галактики (рис. 0).

Сколько спиральных рукавов у Галактики?

До сих пор детально изучены только окрестности Солнца в радиусе около пяти тысяч световых лет (напомню, размер Галактики около ста тысяч световых лет). Полной карты галактического диска не существует. Давняя мечта астрономов, которая, вероятно, никогда не сбудется, — взглянуть на Галактику снаружи, увидеть рисунок ее спирального диска, заглянуть в ядро, изучить все интересные объекты, скрытые за темными облаками. Поскольку пока нет надежды получить фото нашей звездной системы от коллег из туманности Андромеды, приходится самим расшифровывать радиокарты и восстанавливать рисунок спирального узора.

Дело в том, что у каждой спиральной галактики этот рисунок свой, особенный. Иногда два могучих симметричных спиральных рукава тянутся от самого центра до периферии галактики. Бывает, что рукавов больше и форма их не столь симметрична: они делятся на отдельные ветви, сливаются друг с другом и распадаются на части, подобно связке сосисок. А порою диск галактики напоминает кофейную пенку, в рисунке которой с трудом угадываются обрывки «спиральных рукавов».

По современным радиокартам не удается подсчитать даже количество спиральных рукавов Галактики. Совмещая различные модели с картой солнечных окрестностей, исследователи получают от двух до двенадцати рукавов. Не ясно даже, расположено Солнце в межрукавном пространстве или в одном из второстепенных рукавов. А проблема эта имеет прямое отношение к будущему Земли: с точки зрения биосферы условия в рукавах и между ними весьма различаются.

Далеко ли Солнце от центра Галактики?

Лет сто назад астрономы воспринимали нашу Галактику как всю звездную Вселенную, поэтому расстояние до центра Млечного Пути означало тогда «расстояние до центра Мира». Но затем Галактика стала одной из многих ей подобных, и, казалось бы, ее размеры и положение в ней Солнца должны были уже не так остро интересовать астрономов. Но этого не случилось: наша Галактика по-прежнему остается единственной звездной системой, которую, находясь внутри нее, мы можем изучать в трех измерениях, объемно, а не в виде плоских изображений, которыми представляются нам все прочие далекие галактики.

Расстояние от Солнца до центра Галактики (Ro) служит масштабом всех прочих расстояний в нашей звездной системе и во многих случаях — за ее пределами. Для галактической астрономии эта величина так же важна, как для внегалактической астрономии и космологии важна постоянная Хаббла. И вот что удивительно: несмотря на огромные затраты сил астрономы вот уже более полувека не могут измерить величины обеих этих констант с точностью лучше 50 процентов. Даже стыдно как-то, если вспомнить, что «астрономическая точность» всегда была нарицательным понятием.

А не зная величины Ro — этого «мерного шеста» галактической астрономии, мы теряем возможность точно определять другие параметры Галактики, например, расстояния до далеких звезд, скоплений и туманностей, скорость вращения Галактики и даже ее массу. А как, скажем, разобраться в природе галактического ядра, не зная расстояния до него? Существует очень серьезная гипотеза, что в центре ядра сидит гигантская черная дыра. Однако, не зная Ro, нельзя определить ее массу и даже доказать сам факт ее существования. Пока ясно лишь, что величина Ro заключена в пределах от двадцати до тридцати тысяч световых лет. Такую точность трудно назвать астрономической.

Опыт последних десятилетий показал, что решить проблему Ro саму по себе невозможно: приходится делать слишком много предположений о других неизвестных параметрах Галактики. Поэтому сотрудники Государственного астрономического института имени П.К.Штернберга (ГАИШ) в Москве решили создать всеобъемлющую компьютерную модель Галактики, в которой ее многочисленные параметры были бы так увязаны между собой, чтобы наилучшим образом соответствовать всем имеющимся наблюдениям. Эксперименты с компьютерной моделью показали, что Ro = 24 ( 1,6 тысяч световых лет. Пока точность не очень высока. Но уже есть идеи, как можно ее повысить. По-видимому, в ближайшее время мы значительно точнее узнаем характеристики того «звездного острова», на котором живем.

Солнце путешествует по Галактике

Обычно движение звезд вокруг центра Галактики сравнивают с обращением планет вокруг Солнца, но это не совсем точная аналогия: галактическая орбита звезды значительно сложнее, чем движение планеты по простому эллипсу (рис. 0). Это потому, что Галактика устроена гораздо сложнее Солнечной системы.

Солнце можно уподобить дрессировщику, водящему лошадь (то есть планету) по кругу на привязи: она строго подчинена его влиянию, поскольку конкурентов нет. Но выпустив лошадь в толпу людей или лошадей, мы бы увидели совсем иную картину. Звезда, движущаяся в Галактике, испытывает влияние множества близких и далеких звезд. И если далекие действуют более или менее сообща, принуждая ее обращаться вокруг центра звездной системы, то соседи так и норовят толкнуть: случайные сближения с ними заметно изменяют движение звезды.

Еще сильнее на нее действует сближение со звездными коллективами — скоплениями, содержащими сотни и тысячи звезд (рис. 0), а также с массивными межзвездными облаками. Такие встречи нарушают регулярное движение звезды и постепенно изменяют ее орбиту. Из простой житейской аналогии, подтвержденной точными вычислениями, ясно, что «беззащитная» звезда старается покинуть то место, где ее сильно толкают. Она постепенно так изменит свою орбиту, чтобы оказаться подальше от скопления «толкачей». Астрономы называют это диффузией орбиты. Поскольку наиболее тесно населены центральные области Галактики, то следует ожидать, что «одинокие и беззащитные» звезды вроде нашего Солнца со временем должны отодвигаться на периферию Галактики.

К такому выводу несколько лет назад пришел Рональд Вилен из Института теоретической астрономии в Хайдельберге (Германия). А в 1996 году ему с соавторами удалось доказать, что Солнце за время своей жизни действительно удалилось от центра Галактики почти на 30 процентов начального расстояния. Это выяснилось по химическому составу Солнца, который отличается от состава соседних звезд, но зато очень похож на тот, который имеют звезды, расположенные ближе к центру Галактики.

Итак, Солнце понемногу удаляется от галактического центра. Как говорится, мало было родиться вдали от столицы, так еще и переезжать приходится на периферию.

Как образовались спиральные рукава?

Наша звездная система спиральная. В мире галактик это не редкость: многие крупные системы имеют спиральный узор на своем звездном диске. В этих спиральных рукавах в основном сосредоточены юные звезды, яркие и горячие (в прямом смысле слова). Но как образуются спиральные рукава? На этот счет существуют различные взгляды. В последние десятилетия особенно популярны были теории спиральных волн плотности, бегущих по звездному диску как по поверхности воды. Но недавно возник новый подход к этой проблеме, связанный с особенностями формирования звезд.

До недавних пор теория звездообразования традиционно изучала небольшие галактические структуры — туманности и звездные скопления — размером в несколько световых лет, а теория спиральной структуры Галактик имела дело с масштабами в десятки тысяч световых лет. Но в последнее время эти теории сблизились при изучении структур промежуточного размера: фрагментов спиральных рукавов, огромных «пузырей» межзвездного газа и комплексов гигантских межзвездных облаков. Наблюдения указывают, что эти объекты проявляют элементы самоорганизации, располагаясь в определенном порядке, и, вероятно, связаны между собой генетически. Но причины этой связи не вполне ясны.

Вспомним, что у истоков теории формирования звезд стоял сам Ньютон. В 1692 году он изложил свою идею о гравитационном скучивании космического вещества: «Если бы это вещество было равномерно распределено по бесконечному пространству, оно никогда не могло бы объединиться в одну массу, но часть его сгущалась бы тут, а другая там, образуя бесконечное число огромных масс, разбросанных на огромных расстояниях друг от друга по всему этому бесконечному пространству. Именно так могли образоваться Солнце и… звезды».

Спустя три столетия смелая гипотеза Ньютона подтвердилась почти буквально: наш мир действительно был некогда заполнен однородным веществом, оно действительно разделилось на части и сгустилось в гигантские светящиеся массы — звезды и галактики. Вот только распределены эти массы в пространстве далеко не хаотично: они не «разбросаны», как предполагал Великий Физик, а организованы в удивительные структуры — звездные комплексы, содержащие не только отдельные молодые звезды, но и звездные скопления, ассоциации и облака межзвездного газа, из которого все это образуется. Эти комплексы размером около одной тысячи световых лет и массой в несколько миллионов масс Солнца хорошо видны на изображениях спиральных галактик с симметрично изогнутыми рукавами, состоящими из цепочек «звездных облаков». Как выяснилось в последние годы в основном благодаря работам астрономов ГАИШ МГУ, звездные комплексы служат базовой ячейкой звездообразования в галактиках.

По поводу происхождения звездных комплексов существует несколько гипотез. Одна из них, развитая в работах Ю.Н.Ефремова (Россия) и Б.Элмегрина (США), основана на самопроизвольном распаде межзвездной среды на отдельные облака; это, так сказать, «линия Ньютона». Но имеется и альтернативная идея, разработанная Я.Палоушом (Чехия), В.Г.Сурдиным и Г.Тенорио-Тагле (Испания). Она основана на процессе формирования звезд, стимулированного их предыдущими поколениями. Действие этого механизма напоминает работу двухтактного двигателя: предыдущая вспышка звездообразования приводит к расширению горячей каверны в межзвездной среде, оболочка которой сгребает и уплотняет газ, подготавливая его к следующему эпизоду формирования звезд. Правда, в отличие от мотора, у которого полный цикл «сжатие-вспышка-расширение» длится сотые доли секунды, полный цикл звездообразования происходит за сотни миллионов лет.

Вполне вероятно, что для целостного описания спиральных галактик в будущем будут использованы элементы не только упомянутых выше, но и многих других конкурирующих теорий.

Как родилась Галактика?

И наконец, вопрос вопросов: как сформировалась наша Галактика? До сих пор эта проблема настолько сложна, что у исследователей даже нет согласия по принципиальному пункту, что было движущим процессом — фрагментация или слипание, то есть образовалась ли Галактика при делении более крупного протооблака или же это агрегат, собравшийся из множества мелких систем, часть из которых еще сопровождает Галактику в виде спутников (например, Большое и Малое Магеллановы Облака).

Есть ли надежда разгадать процесс, происходивший многие миллиарды лет назад? Астрономы, подобно археологам и палеонтологам, никогда не теряют такую надежду.

Чем глубже копает археолог, тем более древние горизонты открываются перед ним; чем дальше смотрят астрономы, тем более молодую Вселенную они видят. Счастье астрономов в том, что свет от далеких объектов идет к нам очень долго — миллиарды лет. Желая узнать, как рождались галактики, мы должны исследовать наиболее далекие из них. Много лет эта работа приносила обескураживающие результаты: удаляясь в прошлое на пять и даже на десять миллиардов лет, мы не обнаруживали ничего нового в облике галактик: в прошлом мы видели такие же зрелые звездные системы, как современные. Но недавно пришла удача: группа астрономов Лейденского университета, проводя наблюдения на 3,5-метровом телескопе обсерватории Ла Силла (Чили), обнаружила далекую галактику в процессе формирования.

Лейденские астрономы ведут поиск молодых галактик не первый год и весьма целенаправленно. Они исследуют те области неба, в которых наблюдаются мощные радиоисточники, с которыми, как правило, связаны крупные галактики. И если при беглом осмотре неба на месте радиоисточника не удается увидеть галактику, то тем интереснее: значит, она так далека от нас, что достать ее может только самая дальнобойная техника. Таким методом, используя крупнейшие телескопы, лейденская группа за последние годы открыла десятки экстремально далеких галактик. Все они лежат «у границы Вселенной», на расстоянии 10 — 15 миллиардов световых лет от Земли. Одной из этих далеких систем оказалась галактика 1243 + 036 (имена галактик теперь составляют из их небесных координат).

Наблюдения показали, что эта звездная система окружена газовым диском огромного размера. Он вращается вокруг галактики и, вероятно, содержит остатки того вещества, из которого сформировалась звездная система. Судя по красному смещению линий в спектре галактики, расстояние до нее около четырнадцати миллиардов световых лет. Значит, мы наблюдаем ее в прошлом, удаленном от нас на 90 процентов возраста Вселенной. Именно в ту эпоху, как становится теперь понятным, формировались галактики. Они сжимались силами гравитации из разреженного вещества, и в ходе сжатия те из них, которые быстро вращались, принимали форму диска. Наша Галактика и подобные ей системы до сих пор сохраняют эту форму.

Размер газового диска юной галактики 1243 + 036 поражает — он впятеро превышает размер диска нашей Галактики (кстати, одной из крупнейших в нашу эпоху). Скорее всего, в процессе эволюции газовые диски галактик уменьшаются. Вероятно, остатками галактического протодиска являются спутники нашей Галактики — Магеллановы Облака и дюжина более мелких галактик, часть из которых в ближайшие несколько миллиардов лет должна упасть на Галактику и войти в ее состав (астрономы называют это «галактическим каннибализмом»).

Нужно заметить, что не только наша Галактика пожирает своих спутников: в мире звездных систем это обычное дело — крупные постепенно съедают мелких. Причем каждая такая трапеза как бы вдыхает новую жизнь в постаревшую гигантскую галактику: вместе с маленьким спутником к ней приходит изрядное количество свежего газа, из которого начинают интенсивно формироваться новые звезды. Часть этого газа попадает в «сердце» гигантской галактики — в ее ядро, где он пожирается массивной черной дырой, обычно тихо сидящей в ядрах крупных галактик, но оживающей, когда рядом оказывается что-то, что можно проглотить.

Будущее нашей собственной звездной системы представляется нам довольно ясно: самым интересным событием в ближайшие несколько миллиардов лет будет падение на нас Большого Магелланова Облака, которое принесет с собой множество массивных звезд и молодых звездных скоплений, а также удвоит массу нашей межзвездной среды. Это существенно омолодит Галактику, сделает ее активной и заметно изменит ее внешний вид. Возможно, в ядре Галактик оживет маленький квазар, и тогда она перейдет в разряд более заметных, активных звездных систем. Для астрономов будущего это сулит новые интересные загадки.

Владимир Сурдин



См. также:
Обзор выигрышных слотов
ПРОЕКТ
осуществляется
при поддержке

Окружной ресурсный центр информационных технологий (ОРЦИТ) СЗОУО г. Москвы Академия повышения квалификации и профессиональной переподготовки работников образования (АПКиППРО) АСКОН - разработчик САПР КОМПАС-3D. Группа компаний. Коломенский государственный педагогический институт (КГПИ) Информационные технологии в образовании. Международная конференция-выставка Издательский дом "СОЛОН-Пресс" Отраслевой фонд алгоритмов и программ ФГНУ "Государственный координационный центр информационных технологий" Еженедельник Издательского дома "1 сентября"  "Информатика" Московский  институт открытого образования (МИОО) Московский городской педагогический университет (МГПУ)
ГЛАВНАЯ
Участие вовсех направлениях олимпиады бесплатное
Печать фотографий Фотопечать и фотокниги от компании ФОТОПРИНТ. Для профессиональных фотографов, компания ФОТОПРИНТ оказывает услуги по фотопечати и изготовлению фотокниг (выпускных, свадебных, корпоративных) на УНИКАЛЬНЫХ условиях. Мы гарантируем Лучшие цены на наши услуги и кратчайшие сроки выполнения заказов.

Номинант Примии Рунета 2007

Всероссийский Интернет-педсовет - 2005