Вопрос №2. Местная группа галактик. Звезды и их свойства.
Галактики в большинстве своем собраны в некие объединения - группы, скопления и сверхскопления. Если построить трехмерную модель известной нам части Вселенной, то окажется, что распределение галактик напоминает структуру пчелиных сот или рыбачьей сетки - сравнительно тонкие «стенки» и «волокна» окружают большие «пузыри» практически пустого пространства, так называемые войды. Скопления галактик являются «узлами» этой «сетки». Самая низшая ступень объединения - группа. Обычно группы состоят из небольшого (не более 50) числа галактик всех мастей и имеют размер от 1 до 2 Мпк. Масса группы галактик не превышает, как правило, 13 солнечных масс, а индивидуальная скорость галактик в группе составляет примерно 150 км/с. Скоплениями называют объединения галактик большие, чем группа, хотя четкого различия между этими двумя классами нет. В скопление могут входить и сотни, и десятки тысяч галактик. Известно много скоплений галактик; их каталогом, составленным Дж. Абелем, астрономы пользуются и сейчас. В свою очередь скопления галактик объединяются в галактические сверхскопления. Еще во второй половине 50-х годов прошлого века было обнаружено, что большая часть самых ярких галактик, видимых из Земли, образуют целостную структуру, в центре которой находится скопление в созвездии Девы, а на ее периферии находится наша Местная группа галактик. Эта структура была названа Местным сверхскоплением галактик. Местное сверхскопление охватывает в космосе участок размерами в несколько десятков мегапарсек, что в 10 раз превышает размер скопления в созвездии Девы.
МЕСТНАЯ ГРУППА ГАЛАКТИК– это совокупность нескольких десятков ближайших галактик, окружающих нашу звездную систему – галактику Млечный Путь. Члены Местной группы движутся друг относительно друга, но при этом связаны взаимным тяготением и поэтому длительное время занимают ограниченное пространство размером около 6 млн. световых лет и существуют отдельно от других подобных групп галактик. Считается, что все члены Местной группы имеют общее происхождение и эволюционируют совместно уже около 13 млрд. лет.
В Местную группу входит более 50 галактик. Это число постоянно увеличивается с обнаружением новых галактик. Местную группу можно разделить на несколько подгрупп:
Группа Млечного Пути состоит из гигантской спиральной галактики Млечный Путь и 14 её известных спутников (по состоянию на 2005 год), представляющих собой карликовые и в основном неправильные (по форме) галактики;
Группа Андромеды весьма похожа на группу Млечного Пути: в центре группы находится гигантская спиральная галактика Андромеды. Её 18 известных (по состоянию на 2005 год) спутников тоже являются в основном карликовыми галактиками;
Группа Треугольника — галактика Треугольника и её возможные спутники;
Прочие карликовые галактики, которые нельзя определить ни в одну из указанных групп.
Поперечник Местной группы составляет порядка одного мегапарсека. Местная группа является частью местного сверхскопления — сверхскопления Девы, главную роль в котором играет скопление Девы.
Млечный путь – галактика, в которой находится наша Солнечная система. Галактика получила свое название из-за того, что Земля находится в плоскости галактики и потому она видна на небе как полоса дымки (на самом деле все звезды, видимые невооруженным глазом на небе, лежат в Млечном пути). То, что эта дымка является скоплением множества звезд, доказал Галилей в 1610 году. То, что Млечный путь – лишь одна из множества галактик, показал Эдвин Хаббл. Млечный путь – спиральная галактика с перемычкой, диаметром 100-120 тысяч световых лет и толщиной около 1000 световых лет, содержащая 200-400 миллиардов звезд. Недавно было доказано, что в среднем все звездные системы Млечного пути имеют как минимум одну планету. Плотность звезд в Млечном пути резко падает при удалении на 40000 световых лет от центра галактики. Причина этого явления пока не известна. Период обращения всей галактики составляет от 15 до 20 миллионов лет. Возраст Млечного пути – около 13.2 миллиардов лет, так что это одна из первых галактик. В центре галактики располагается перемычка, от которой отходят четыре рукава (возможно, только два из них – полноценные рукава), состоящих из звезд, газа и пыли, хотя до начала 90-х считалось, что Млечный путь – обычная спиральная галактика. В центре галактики находится небольшой, но очень массивный источник мощного излучения Стрелец А*. Вероятнее всего это черная дыра.
Магеллановы Облака — Большое Магелланово Облако и Малое Магелланово Облако — галактики-спутники Млечного Пути. Оба Облака ранее считались неправильными галактиками, но впоследствии обнаружили особенности структуры спиральных галактик с перемычкой. Они располагаются относительно близко друг к другу и образуют гравитационно-связанную (двойную) систему. Видны невооружённым глазом в южном полушарии. Оба Облака «плавают» в общей водородной оболочке.
Магеллановы Облака находятся на высоких галактических широтах, поэтому свет от них мало поглощается Млечным Путем, к тому же плоскость Большого Магелланового Облака находится почти перпендикулярно лучу зрения, так что, для видимых рядом объектов в нём зачастую будет верно утверждать, что они близки пространственно. Эти особенности Магеллановых Облаков позволили изучать на их примере закономерности распределения звёзд и звёздных скоплений.
Магеллановы Облака имеют ряд особенностей, отличающих их от Млечного Пути. Например, там обнаружены звёздные скопления с возрастом 107—108 лет, тогда как скопления Млечного Пути обычно старше 109 лет.
Магеллановы облака были знакомы мореходам южного полушария, и в XV веке их называли «Капскими облаками». Фернан Магеллан использовал их для навигации, как альтернативу Полярной звезде, во время своего кругосветного путешествия в 1519—1521 годах. Когда, после гибели Магеллана, его корабль вернулся в Европу, Антонио Пигафетта (спутник Магеллана и официальный летописец путешествия) предложил назвать Капские Облака Облаками Магеллана в качестве своеобразного увековечения его памяти.
Звёзды представляют собой массивные светящиеся газовые (плазменные) шары. Образуются из газово-пылевой среды (главным образом из водорода и гелия) в результате гравитационного сжатия. Температура вещества в недрах звёзд измеряется миллионами кельвинов, а на их поверхности — тысячами кельвинов. Энергия подавляющего большинства звёзд выделяется в результате термоядерных реакций превращения водорода в гелий, происходящих при высоких температурах во внутренних областях. Звёзды часто называют главными телами Вселенной, поскольку в них заключена основная масса светящегося вещества в природе. Примечательно и то, что звёзды имеют отрицательную теплоёмкость. 3везды бывают новорожденными, молодыми, среднего возраста и старыми. Новые звезды постоянно образуются, а старые постоянно умирают. Самые молодые, которые называются звездами типа Т Тельца (по одной из звезд в созвездии Тельца), похожи на Солнце, но гораздо моложе его. Фактически они все еще находятся в процессе формирования и являются примерами протозвезд (первичных звезд). Это переменные звезды, их светимость меняется, поскольку они еще не вышли на стационарный режим существования. Вокруг многих звезд типа Тельца имеются вращающиеся диски вещества; от таких звезд исходят мощные ветра. Энергия вещества, которое падает на протозвезду под действием силы тяготения, превращается в тепло. В результате температура внутрипротозвезды все время повышается. Когда центральная ее часть становится настолько горячей, что начинается ядерный синтез, протозвезда превращается в нормальную звезду. Как только начинаются ядерные реакции, у звезды появляется источник энергии, способный поддерживать ее существование в течение очень долгого времени. Насколько долгого - это зависит от размера звезды в начале этого процесса, но у звезды размером с наше Солнце топлива хватит па стабильное существование в течение примерно 10 миллиардов лет. Однако случается, что звезды, гораздо более массивные, чем Солнце, существуют всего несколько миллионов лет; причина в том, что они сжимают свое ядерное топливо с гораздо большей скоростью. Все звезды в основе своей похожи на наше Солнце: это огромные шары очень горячего светящегося газа, в самой глубине которых вырабатывается ядерная энергия. Но не все звезды в точности такие, как Солнце. Самое явное различие - это цвет. Кроме того, звезды различаются и по яркости, и по блеску. Насколько яркой выглядит звезда в небе, зависит не только от ее истинной светимости, но также и от расстояния, отделяющего ее от нас. С учетом расстояний, яркость звезд меняется в широком диапазоне: от одной десятитысячной яркости Солнца до яркости более чем миллиона Солнц. Подавляющее большинство звезд, как оказалось, располагается ближе к тусклому краю этой шкалы. Солнце, которое во многих отношениях является типичной звездой, обладает гораздо большей светимостью, чем большинство других звезд. Невооруженным глазом можно увидеть очень небольшое количество слабых по своей природе звезд. В созвездиях нашего неба главное внимание привлекают к себе "сигнальные огни" необычных звезд, тех, что обладают очень большой светимостью. Почему же звезды так сильно различаются по своей яркости? Оказывается, тут не зависит от массы звезды. Количество вещества, содержащееся в конкретной звезде, определяет ее цвет и блеск, а также то, как блеск меняется во времени. Самые массивные звезды одновременно и самые горячие, и самые яркие. Выглядят они белыми или голубоватыми. Несмотря на свои огромные размеры, эти звезды производят такое колоссальное количество энергии, что все их запасы ядерного топлива перегорают за какие-нибудь несколько миллионов лет. В противоположность им звезды, обладающие небольшой массой, всегда неярки, а цвет их - красноватый. Они могут существовать в течение долгих миллиардов лет. Однако среди очень ярких звезд в нашем небе есть красные и оранжевые. К ним относятся и Альдебаран - глаз быка в созвездии Телец, и Антарес в Скорпионе. Эти звезды очень сильно расширились и теперь по размеру намного превосходят нормальные красные звезды. По этой причине их называют гигантами, или даже сверхгигантами. Благодаря огромной площади поверхности, гиганты излучают неизмеримо больше энергии, чем нормальные звезды вроде Солнца, несмотря на то, что температура их поверхности значительно ниже. Диаметр красного сверхгиганта - например, Бетельгейзе в Орионе - в несколько сот раз превосходит диаметр Солнца. Напротив, размер нормальной красной звезды, как правило, не превосходит одной десятой размера Солнца. По контрасту с гигантами их называют "карликами". Гигантами и карликами звезды бывают на разных стадиях своей жизни, и гигант может в конце концов превратиться в карлика, достигнув "пожилого возраста". У звезды два параметра, определяющие все внутренние процессы — масса и химический состав. Если их задать для одиночной звезды, то на любой момент времени можно предсказать все остальные физические характеристики звезды, такие как блеск, спектр, размер, внутренняя структура.Масса
Достоверно определить массу звезды можно, только если она является компонентом двойной звезды. В этом случае массу можно вычислить, используя обобщённый третий закон Кеплера. Но даже при этом оценка погрешности составляет от 20 % до 60 % и в значительной степени зависит от погрешности определения расстояния до звезды. Во всех прочих случаях приходится определять массу косвенно, например, из зависимости масса — светимость. Видимые звездные величины ничего не говорят ни об общей энергии, излучаемой звездой, ни о яркости ее поверхности. Действительно, вследствие различия в расстояниях маленькая, сравнительно холодная звезда только из-за своей относительно большой близости к нам может иметь значительно меньшую видимую звездную величину (т.е. казаться ярче), чем далекий горячий гигант. Если расстояния до двух звезд известны, то на основании их видимых звездных величин легко найти отношение излучаемых ими действительных световых потоков. Для этого достаточно освещенности, создаваемые этими звездами, отнести к общему для всех звезд стандартному расстоянию. В качестве такого расстояния принимается 10 парсек. Звездная величина, которую имела бы звезда, если ее наблюдать с расстояния в 10 парсек, называется абсолютной звездной величиной. Как и видимые, абсолютные звездные величины могут быть визуальными, фотографическими и т.д.
Еще одна существенная характеристика звезды - ее радиус. Радиусы звезд меняются в очень широких пределах. Есть звезды, по своим размерам не превышающие земной шар (так называемые "белые карлики"), есть огромные "пузыри", внутри которых могла бы свободно поместиться орбита Марса. Мы не случайно назвали такие гигантские звезды "пузырями". Из того факта, что по своим массам звезды отличаются сравнительно незначительно, следует, что при очень большом радиусе средняя плотность вещества должна быть ничтожно малой. Если средняя плотность солнечного вещества равна 1,4 г/см3, то у таких "пузырей" он может быть в миллионы раз меньше, чем у воздуха. В то же время белые карлики имеют огромную среднюю плотность, достигающую десятков и даже сотен тысяч граммов на кубический сантиметр.