Методические материалы, статьи

Млечный Путь рождается по всем правилам науки

Как-то незаметно за последние годы произошло кардинальное изменение масштабов нашего восприятия космоса. Технологический прорыв в астрономических средствах наблюдения придвинул к нам чуть ли не вплотную объекты и события, отстоявшие необозримо далеко и по времени, и по расстояниям.
Еще одна своеобразная перемена в наших взглядах — происходящее на небесах обнаруживает на разных уровнях все больше сходства с развивающимся, проявляющим черты живого существом. Словно все телескопы объединились в огромный микроскоп, позволяющий следить за эволюцией некоего организма.
Не боясь оказаться в плену метафор, ученые наделяют косную материю атрибутами живой, видимо, подчеркивая этим плодотворность аналогий и поиска общих тенденций развития в, казалось бы, совершенно разных областях.
Происхождение Млечного Пути, новые сведения о его структуре, черные дыры в центре Галактики и «залетевшие» к нам из вселенских далей — вот сюжеты, подаренные недавними открытиями. Сведенные вместе, они дают иной ракурс и во взгляде на наш обжитой дом — Солнечную систему, и на его гостей.

В небесном своде есть прорезь, сквозь которую пылает вселенский огонь, считал Филолай, современник Сократа. Нет, это клубятся испарения от планет или дымы от земных огней, а может быть, вспыхивает воздух, трущийся о небесную сферу, возражал Аристотель. Это всего лишь шов, соединивший две половины неба, догадывался Теофраст. Нет, прежняя орбита Солнца, уточнял небесную карту Метродор, ученик Гераклита.

Огненная, бледная, белесая… Выцветший след светила. Колея, в которую не войти дважды, — словно струя молока из разбитого кувшина. Свое название «Млечный Путь» наша Галактика получила от древних греков. По-гречески слово «галактикос» как раз означало «молочный», «млечный». Впоследствии так стали именовать все скопления звезд, оставив название «Млечный Путь» нашей Галактике, — звездной полосе, точно расплесканной по небу.

…Это — скопление звезд, и оно велико. Свет их сливается, образуя яркую, серебристую полосу. Так говорили еще Пифагор, Левкипп, Демокрит. Споры античных мудрецов разрешил лишь Галилей, когда в августе 1609 года направил свою «оптическую трубу» на небо. «Я изучил природу и вещество Млечного Пути, — писал он позднее. — С помощью телескопа я мог исследовать его непосредственно и с такой очевидной достоверностью, что все философские споры о нем, вводившие в заблуждение столько столетий, решены, и мы, наконец, избавлены от этих пространных дебатов. На самом деле, Галактика — это не что иное, как скопление бесчисленных звезд. Наведите телескоп на любую ее часть, и вы тотчас увидите громадное множество звезд, многие из которых довольно велики и ярки; число же мелких звезд невозможно даже оценить».

Лишь в ХХ веке ученые узнали, как на самом деле выглядит Млечный Путь. Этому способствовали работы многих астрономов и особенно американца Эдвина Хаббла и немца Вальтера Бааде. Итак, если смотреть «сверху вниз», наша Галактика напоминает плоский диск, от которого ответвляются спиральные рукава. Однако наблюдения за ней осложнены, потому что Солнечная система лежит как раз в плоскости Галактики, перед одним из спиральных рукавов. За звездами мы не видим самой Галактики, мы не можем охватить ее взором, оценить ее строение. Многие ее детали скрыты от нас, и мы догадываемся о них, изучая другие звездные системы.

Так, лишь сравнительно недавно было установлено, что в центре Галактики есть «утолщение», или «балдж» (англ. bulge). Звезды там встречаются в десятки тысяч раз чаще, чем в «глухой провинции», где обретаемся мы. Вокруг Галактики, словно аура, простирается огромная звездная сфера, именуемая гало. Природа Млечного Пути нам понятна, но тем больше вопросов вызывает его происхождение.


Поваренная книга астрономии

Долгое время считалось, что Млечный Путь формировался постепенно. Этот процесс напоминал зарождение звезды, только масштабы были другими. Громадное газопылевое облако медленно стягивалось и, наконец, сплющившись, образовывало диск. Если облако было неподвижно, галактика получалась эллиптической; если вращалось — спиральной. Впрочем, эта теория не могла объяснить ни нынешнюю форму Млечного Пути, ни его стабильность.

Сейчас наши мнения о детских летах галактик решительно меняются. Ведь мы следили за их появлением на свет, не задумываясь об «окружающей среде». Галактики рождались в космосе, расчищенном для них, блиставшем стерильностью. Астрономы отвлекались от того, что вокруг первородного облака сновали другие галактики и скапливалась темная материя. Что же они могли приготовить по предложенным рецептам?

Вы когда-нибудь пробовали блеснуть кулинарным мастерством, держа в руках книгу рецептов, написанную на не известном вам языке, и выбрав, наверное, по эффектному рисунку какой-то один из советов, рисковали ли приготовить то же самое — «красивое и, конечно, вкусное», — доверившись лишь знанию «с грехом пополам» десятка слов из этого языка? Решались ли, видя среди непонятных слов уже знакомые water, beef, citron, pepper, fish, sugar, смешать все эти части угощения, что-то проделать над ними, может, обжарить или потушить, или отварить, положить еще что-то наугад и все это с обаятельной улыбкой поднести к столу? Результат такого эксперимента легко предвидеть.

Столь же «не вываренными» кажутся и привычные теории, описывающие рождение галактик. Ведь до недавних открытий в космологии ученые, готовя из газа и пыли новехонькие «молочники», не догадывались, что в сей космический «суп» следовало бы для точности и вкуса добавить что-то еще.

После Большого Взрыва водород и гелий почти равномерно растеклись по Вселенной. Из их однородной смеси всего за один-два миллиарда лет образовались сгустки — протогалактики.

Однако флуктуации (колебания) плотности в первородном газе были слишком малы, чтобы за такой «короткий» срок эти комочки под действием гравитации слиплись в огромные галактики. Понять происходившее можно лишь, вспомнив, что в «поваренной книге астрономии» были и другие — расшифрованные недавно, да и то с грехом пополам «ингредиенты рецептуры».

Вселенная почти на 95 процентов «приготовлена» из темной материи и темной энергии. По-видимому, первая состоит из неизвестных пока элементарных частиц, не участвующих в электромагнитном взаимодействии. Лишь сила гравитации помогает заметить ее. Скопления темной материи влияют, например, на скорость вращения Млечного Пути. Возможно, галактики конденсировались вокруг этой, не видимой нам материи.


Как это было?

Итак, долгое время считалось, что Млечный Путь формировался постепенно. В 1962 году Олин Эгген, Дональд Линден-Белл и Аллан Сэндеж предложили гипотезу, которая стала известна как модель ELS (ее назвали по начальным буквам их фамилий). Согласно ей, на месте Млечного Пути когда-то медленно вращалось однородное облако газа. Оно напоминало шар и достигало в поперечнике примерно 300 тысяч световых лет, а состояло в основном из водорода и гелия. Под действием гравитации протогалактика сжалась и стала плоской; при этом ее вращение заметно ускорилось.

Так наша Галактика выглядит сбоку: 1 – ось вращения; 2 – корона; 3 – галактический центр; 4 – галактический экватор; 5 – Солнце; 6 – тонкий диск; 7 – толстый диск; 8 – гало; 9 – шаровое скопление; 10 – звезды гало; 11 – балдж

Почти два десятилетия эта модель устраивала ученых. Однако новые данные наблюдений показали, что Млечный Путь не мог возникнуть так, как ему предписали теоретики.

Согласно этой модели, сперва образуется гало, а потом — галактический диск. Однако в диске тоже встречаются очень древние звезды, например, красный гигант Арктур, чей возраст более десяти миллиардов лет, или многочисленные белые карлики того же возраста.

И в галактическом диске, и в гало обнаружены шаровые скопления, которые моложе, чем допускает модель ELS. Очевидно, они поглощены нашей Галактикой позднее.

Многие звезды в гало вращаются в ином направлении, нежели Млечный Путь. Возможно, они тоже находились когда-то за пределами Галактики, но потом были втянуты в этот «звездный вихрь», словно случайный пловец в водоворот.

*Вероятно, Млечный Путь формировался дольше, чем считали прежде.

*В компьютерных моделях более плотная, центральная часть газового облака сжималась стремительнее, чем его оболочка.

*Позднее Космический телескоп имени Хаббла заглянул в самые отдаленные и древние уголки Вселенной. Наблюдения показали, что протогалактики часто сталкиваются.

*Наконец, модель ELS не учитывала темную материю.

В 1978 году Леонард Сирл и Роберт Цинн предложили свою модель становления Млечного Пути. Ее обозначили как «модель SZ». Теперь история Галактики заметно усложнилась. Еще недавно ее молодость, в представлении астрономов, описывалась столь же просто, как во мнении физиков — прямолинейное поступательное движение. Механика происходящего была отчетливо видна: имелось однородное облако, оно состояло лишь из равномерно разлившегося газа. Ничто своим присутствием не усложняло расчеты теоретиков.

Спиральная структура нашей Галактики (вид сверху): 12 – внешний рукав; 13 – рукав Персея; 14 – рукав Ориона

Теперь вместо одного огромного облака в видениях ученых возникли сразу несколько небольших, причудливо разбросанных облаков. Среди них виднелись и звезды; правда, они располагались лишь в гало. Внутри гало все бурлило: облака сталкивались, газовые массы перемешивались и уплотнялись. Через несколько миллиардов лет из этой смеси образовался галактический диск. В нем стали возникать новые звезды. Так, из газового «теста» и «изюминок«-звезд был испечен наш галактический «пудинг».

Однако и это творение космических «кулинаров» раскритиковали.

*Так, невозможно было понять, что связывало гало и галактический диск. Этот сгущавшийся диск и реденькая звездная оболочка вокруг него имели так же мало общего, как пирог и бумага, в которую он был завернут. Уже после того как Сирл и Цинн составили свою модель, выяснилось, что гало вращается слишком медленно, чтобы из него образовался галактический диск. Судя по распределению химических элементов, последний возник из протогалактического газа. Наконец, момент коли-чества движения диска оказался в десять раз выше, чем гало.

*Любая модель тем и хороша, что в отведенных ей пределах предсказывает прошлое и будущее, то есть — прогностична. Модель SZ — нет. Согласно ей, при зарождении крупной галактики возникает несколько сотен карликовых галактик. Однако их наблюдается десяток-другой. Итак, в теории все выглядит стройно: образуются галактические скопления, галактики и их крохотные «кусочки» — карликовые галактики. На самом деле, с последними — явная нехватка.

Весь секрет в том, что обе модели содержат зерно истины. Вся беда в том, что они слишком просты и односторонни. Обе они кажутся теперь фрагментами одного и того же рецепта, по которому был сотворен Млечный Путь. Эгген и его коллеги прочитали несколько одних строк из этого рецепта, Сирл и Цинн — несколько других. Поэтому, пытаясь заново представить историю нашей Галактики, мы то и дело замечаем знакомые, уже читанные однажды строки.


Темные скрепы Галактики

Все началось вскоре после Большого Взрыва. «Сегодня принято полагать, что флуктуации плотности темной материи породили первые структуры, связанные действием гравитации, — так называемые темные гало, — отмечает немецкий астроном Андреас Буркерт, автор новой модели рождения Галактики.

Темные гало стали зародышами — ядрами — будущих галактик. Их масса составляла от ста миллионов до десяти миллиардов солнечных масс, они были размером с карликовую галактику. Вокруг них под действием гравитации скапливался газ. Происходил однородный коллапс, как описывает его модель ELS.

Уже через 500 — 1000 миллионов лет после Большого Взрыва темные гало и газовые скопления вокруг них стали «инкубаторами» звезд. Здесь возникли небольшие протогалактики. В плотных облаках газа появились первые шаровые скопления, ведь звезды рождались здесь в сотни раз чаще, чем где-либо. Протогалактики сливались друг с другом — так образовались крупные галактики, в том числе наш Млечный Путь. Сегодня он окружен темной материей, древним гало и шаровыми скоплениями звезд, руинами мироздания, чей возраст достигает тринадцати миллиардов лет.

В протогалактиках было много очень массивных звезд. Не прошло и нескольких десятков миллионов лет, как многие из них взорвались. Эти взрывы обогатили облака газа тяжелыми химическими элементами. (Поэтому в галактическом диске будут рождаться не такие звезды, как в гало, они станут содержать в сотни раз больше металлов.)

Кроме того, эти взрывы породили мощные галактические вихри, которые разогревали газ и выметали его за пределы протогалактик. Вокруг них образовались раскаленные пузыри газа. Так произошло разделение газовых масс и темной материи. Это была важнейшая стадия формирования галактик, не учтенная прежде ни в одной модели.

«Если газовые массы покидали темные гало до образования галактики, то они сохраняли свой момент количества движения, тогда как звезды, оставшиеся в гало, теряли его, поэтому сейчас их момент количества движения намного ниже, чем у галактического диска», — поясняет Буркерт.

Итак, в протогалактиках оставалось все меньше газа. Процесс образования звезд прекратился. Вот почему рядом с Млечным Путем расположен всего десяток карликовых галактик, а не сотня их, как того требует модель SZ.

Тем временем темные гало все чаще сталкивались друг с другом. При этом протогалактики вытягивались или распадались. Об этих катастрофах напоминают цепочки звезд, сохранившиеся в гало Млечного Пути со времен «юности». Изучая их расположение, можно оценить события, протекавшие в ту эпоху. Постепенно из этих звезд образовалась обширная сфера — видимое нами гало.

По мере остывания газовые облака проникали внутрь этого гало. Их момент количества движения сохранялся, поэтому они не сжались в одну-единственную точку, а образовали вращающийся диск. Все это произошло более двенадцати миллиардов лет назад. Теперь газ сжимался так, как было описано в модели ELS.

В это время образуется и «балдж» Млечного Пути — его срединная часть, напоминающая эллипсоид. Балдж состоит из очень старых звезд. Очевидно, он возник при слиянии самых крупных протогалактик, дольше всего удерживавших газовые облака. Посреди него оказались нейтронные звезды и крохотные черные дыры — реликты взорвавшихся сверхновых звезд. Они сливались друг с другом, попутно поглощая потоки газа. Так зародилась огромная черная дыра, пребывающая ныне в центре нашей Галактики.

Сейчас астрономы выделяют в галактическом диске тонкий и толстый диск. Возраст тонкого диска и его спиральных рукавов — девять-десять миллиардов лет. Значит, он формировался два-три миллиарда лет. Все это время сюда проникали протогалактики. Одна за другой они скрывались в недрах диска, деформируя его. Лишь когда все успокоилось, диск принял свои нынешние очертания.


Карлики смыкают строй

Так, после череды ударов и слияний образовалась наша родная Галактика, внушительная даже по космическим меркам. Ведь она содержит более ста миллиардов звезд, а диаметр ее достигает ста тысяч световых лет. Итак, Млечный Путь — это плод космических катаклизмов, продукт столкновений галактик.

Следы тех давних событий можно обнаружить и сегодня.

*Вокруг Млечного Пути на расстоянии в несколько сотен тысяч световых лет обращаются не менее девяти карликовых галактик. Их орбиты лежат в двух разных плоскостях. Возможно, это остатки двух распавшихся когда-то галактик. Скреплены эти «карлики» плотными гало из темной материи.

*Возраст каждой десятой звезды в галактическом гало — менее десяти миллиардов лет. К тому времени Млечный Путь уже сформировался. Возможно, это остатки «проглоченных» когда-то карликовых галактик. Группа английских ученых из Астрономического института (Кембридж) во главе с Джерардом Гилмором подсчитала, что Млечный Путь, очевидно, поглотил от 40 до 60 карликовых галактик типа Carina или пять карликов типа Fornax.

*Звезды в гало движутся хаотично. Группа нидерландских астрономов, изучая данные, собранные спутником «Гиппарх», отыскала в этом беспорядке одну закономерность: около десяти процентов всех молодых звезд, обнаруженных в гало, двигались с одной и той же скоростью по одной орбите. Она была сильно наклонена к плоскости диска и выглядела очень эксцентричной: расстояние этих звезд до центра Галактики колебалось от 23 до 50 тысяч световых лет. Вероятно, все они когда-то составляли одну и ту же галактику, «проглоченную» Млечным Путем.

*Анна-Катерина Вивас и Роберт Цинн из Йельского университета обнаружили остатки карликовой галактики, поглощенной Млечным Путем около одного-трех миллиардов лет назад. Они занимают участок неба размером 10000 х 100000 световых лет близ созвездий Девы и Весов. Масса здешних звезд примерно в два раза меньше, чем Солнца, зато они поразительно ярко светятся. Их возраст — около десяти миллиардов лет.

*В 1994 году астрономы Джерард Гилмор и Родриго Ибата, работавшие тогда в Канаде, обнаружили в созвездии Стрельца ближайшую к нам карликовую галактику — Sagittarius. Она расположена примерно в 52 тысячах световых лет от центра Галактики. Большая часть ее массы — а она в несколько миллиардов раз превышает массу Солнца — скрыта в гало из темной материи. Если бы не оно, то Sagittarius давно распалась бы. Недавние наблюдения показали, что за этим «карликом» тянется, как борода за Черномором, шлейф из потерянных им звезд. Возможно, этот шлейф уже несколько раз обвил нашу Галактику. Быть может, скопление звезд, открытое Вивас и Цинном, тоже было частью галактики Sagittarius. В ближайшие миллиарды лет она перестанет существовать: постепенно «размажется» по гало, как масло по ломтику хлеба.

*Млечный Путь не умерит свой аппетит и впредь. Очевидно, он поглотит ближайшие к нам карликовые галактики — Fornax, Carina и, может быть, Sextans. Похоже, какие-то их звезды уже пополнили наше гало. Со временем эти галактики станут частью Млечного Пути. Через миллиарды лет в него вольются Магеллановы Облака. Наконец, через пять миллиардов лет Млечный Путь переживет самую большую катастрофу — столкнется с Туманностью Андромеды и превратится в эллиптическую галактику. Вокруг Млечного Пути, этого ненасытного «звездного каннибала», станет еще пустыннее.

Млечный Путь поглощает не только соседние галактики, но и огромные массы газа. В 1958 году нидерландские астрономы заметили в гало множество небольших пятен. На поверку они оказались газовыми облаками, которые состояли в основном из атомов водорода и мчались в сторону галактического диска. Многие из них преодолевали более двухсот километров в секунду.

Спектральный анализ показал, что некоторые облака были остатками сверхновых звезд. Когда-то взрывная волна выбросила их за пределы Галактики, но теперь они падают, подчиняясь ее притяжению — так на Земле после взрыва оседает пыль.

Зато другие облака летели к нам из космический дали. Это — межгалактический газ, захваченный Млечным Путем. Астрономы из Висконсинского университета — ими руководил Берт Уоккер, — наблюдая за одним из облаков с помощью Космического телескопа имени Хаббла, исследовали спектр поглощения им света расположенных позади звезд. Облако содержало гораздо меньше серы, чем галактический диск, и значит, возникло за его пределами.


Звезды в черном

Темные ядра протогалактик не распались до сих пор. Еще и сегодня эти призрачные сгустки материи, весящие в сотни миллионов раз больше Солнца, снуют вокруг нашей Галактики. Еще и сегодня они пересекают галактический диск, взвихряя газопылевые облака и сгущая их. Там, где «метеором» пронесется этот огромный невидимый ком, зарождаются новые звезды. Лишь через необозримое время (по разным расчетам, на это уйдет от 10 до 100 миллиардов лет) все темные ядра рухнут в центр Галактики, в недра черной дыры.

…Когда-то астрономы считали, что посреди нашей Галактики пребывает Сириус. Действительно, это самая яркая звезда на небосводе. Однако такое скопление звезд может удержать лишь объект в миллионы раз массивнее Сириуса.

Еще в конце шестидесятых годов английские астрофизики Дональд Линден-Белл и Мартин Рис предположили, что в центре Галактики таится черная дыра. Наблюдения, проведенные в середине девяностых годов, подтвердили, что здесь расположен очень компактный объект, чья масса в два-три миллиона раз превышает массу Солнца.

Сейчас эта черная дыра по какой-то причине устроила себе передышку. Она не проявляет особой активности. Приток материи сюда очень скуден.

Возможно, со временем у черной дыры пробудится аппетит. Тогда она вновь станет поглощать окружившую ее пелену газа и пыли и пополнит список активных галактик. Возможно, что перед этим в центре Галактики начнут бурно зарождаться звезды. Подобные процессы, может быть, регулярно — через миллиарды лет — повторяются. Поистине астрономы грядущих дней могут «у порога дома своего» увидеть последние тайны мироздания.


Галактический центр. Ядро нашей Галактики расположено в созвездии Стрельца. Там притаилась черная дыра, чья масса в 2,6 миллиона раз превышает массу Солнца. Она окружена плотным слоем газа и пыли, звездными скоплениями, остатками сверхновых звезд и молекулярным облаком, чья масса в 10 тысяч раз больше солнечной массы.

Балдж. Общая масса балджа в 20 миллиардов раз превышает массу Солнца. Здесь преобладают старые звезды, содержащие мало металлов. Впрочем, новые звезды продолжают рождаться там и теперь.

Тонкий диск. Он достигает в поперечнике почти 100 тысяч световых лет, а его толщина колеблется от трехсот до трех тысяч световых лет. На долю тонкого диска приходится всего пять процентов галактической массы, зато он излучает до 90 процентов света, ведь в основном здесь находятся молодые звезды. Здесь также много газопылевых облаков, где еще миллиарды лет будут рождаться новые звезды. Тонкий диск состоит из двух (возможно, четырех) больших и множества маленьких спиральных рукавов. Он слегка выгнут; кривизна его по необъяснимой причине меняется со временем.

Толстый диск. Тонкий диск окружен еще одним диском того же диаметра. Его толщина составляет от 3 до 18 тысяч световых лет.

Шаровые скопления звезд. Насчитывают от 10 тысяч до миллиона звезд, удерживаемых лишь силой гравитации. По оценкам астрономов, насчитывается, очевидно, около трехсот шаровых скоплений, но в каталоги пока внесено лишь 170 скоплений. Они обращаются вокруг галактического центра, причем движутся по самым причудливым траекториям и часто пересекают диск.

Гало. Это — эллипсоид диаметром более 600 тысяч световых лет, окружающий галактический диск. Вращается гало очень медленно. Его масса составляет от двух до шести триллионов солнечных масс. Гало состоит из одиночных звезд, их шаровых скоплений и газовых облаков, причем общая масса звезд не превышает миллиарда солнечных масс. Однако в основном гало состоит из темной материи. Снаружи оно окружено «короной» — слоем водородной плазмы, выброшенной при взрывах сверхновых звезд.

Александр Волков



См. также:
Как определить надежность интернет-казино
Популярность онлайн-казино в России
Сравнение онлайн и офлайн-казино
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

Номинант Примии Рунета 2007

Всероссийский Интернет-педсовет - 2005