Раздел 6. Галактика Млечного Пути
Глава 25. Открытие Галактики. Структура Галактики.
Ясными, безлунными осенними ночами, вдали от городов, на небе бывает видна светящаяся полоса. У разных народов это явление называлось Млечный Путь, Соломенная дорога, Птичий путь, Небесная Река. В сплошной на первый взгляд полосе, если приглядеться, видны яркие точки звезд, более и менее яркие участки, темные волокна.
Рис.25/1. Фотография Млечного Пути (Россия).
Во второй половине XVIIIвека английский астроном Вильям Гершель производил подсчеты звезд, видимых в его телескоп в разных участках неба. Оказалось, что на небе можно наметить большой круг, рассекающий все небо на две равные части. По мере приближения к этому условному кругу с любой стороны количество звезд, видимых в телескоп, неуклонно возрастает, и на самом круге становится наибольшим. Как раз вдоль этого круга и стелется по небу Млечный Путь. Гершель правильно объяснил обнаруженное им явление тем, что наблюдаемые звезды образуют гигантскую звездную систему, сплюснутую к условному кругу, названному галактическим экватором.
Рис.25/2. Вильям Гершель (1738 – 1822).
Однако, несмотря на то, что исследованием строения нашей Галактики – Галактики Млечного Пути– занимались после Гершеля многие известные ученые, само представление об ее существовании оставалось гипотетичным до тех пор, пока не были обнаружены объекты, находящиеся вне ее пределов. Это произошло только в начале XXвека, когда выяснилось, что некоторые туманности являются гигантскими звездными системами, находящимися на огромных расстояниях от нас и сравнимыми по размерам с нашей Галактикой. Выяснилось, что существует множество иных галактик, разных по форме, размеру и структуре. Это обстоятельство оказалось очень важным и для астрономии, и для философии. Теория множественности миров получила еще одно научное подтверждение.
По результатам длительного изучения Галактики ученые пришли к выводу, что ее форма напоминает круглый сильно сжатый диск. Как и любой диск, Галактика имеет плоскость симметрии, разделяющую ее на две равные части, и ось симметрии, проходящую через центр системы и перпендикулярную к плоскости симметрии.
Рис.25/3. Схема Галактики Млечного Пути.
Сравнение с диском условно, потому что любой твердый диск имеет четко очерченную границу, а у Галактики такой четкой границы нет. Как же в таком случае определить размеры Галактики? Для этого астрономам пришлось оценивать звездную плотность в разных участках Галактики. Звездной плотностью принято считать количество звезд на каждые 1000 пс3 пространства. Условно границей Галактики считают область пространства, в которой 1 звезда приходится на 1000 пс3 пространства. В этом случае диаметр Галактики равен приблизительно 30 000 пс, а толщина ее 2500 пс. Таким образом, Галактика – сильно сжатая система, потому что ее диаметр в 12 раз больше ее толщины. Свет, затрачивающий всего половину суток, чтобы пересечь Солнечную систему, путешествует около 100 000 лет, чтобы пересечь Галактику по диаметру. Где же в этой системе находится наше Солнце? Как выяснилось, Солнце, а значит, и вся Солнечная система, расположено почти точно в плоскости симметрии Галактики, но от оси симметрии (а значит, и от центра) оно отстоит на расстояние около 10 000 пс, то есть, находится ближе к краю. Количество звезд в Галактике, по современным, конечно, приблизительным, оценкам, превосходит сто миллиардов.
Основными структурными составляющими Галактики являются:
звезды;
звездные скопления;
газовая материя;
пылевая материя;
сгустки газовой и пылевой материи, называемые туманностями.
Существование газа в пространстве между звездами впервые было обнаружено по присутствию в спектрах звезд линий поглощения межзвездных натрия и кальция. Эти линии одинаковы по интенсивности для всех звезд, а это означает, что они не связаны с атмосферой собственно звезды, а вызываются чем-то, находящимся вне звездной атмосферы. По интенсивности линий межзвездного газа можно определить его плотность. Легко понять, что величина плотности межзвездного газа не должна быть высокой. И действительно, примерная плотность межзвездного натрия близ плоскости Галактики, то есть там, где он наиболее плотен, составляет 1 атом на 10 000 см3 пространства, тогда как на Земле в 1 см3 воздуха содержится 2,7*1019 молекул газов.
Намного труднее обнаружить астрофизическими методами в Галактике межзвездный водород, несмотря на то, что это самый обильно распространенный в звездах газ. Однако, и это было сделано с помощью спектрального анализа, только не линий поглощения, а по эмиссионным линиям, то есть, по линиям излучения. Выяснилось, что близ плоскости Галактики 1 атом водорода приходится на 2 – 3 см3 пространства. Это означает, что плотность всей газовой материи около плоскости Галактики составляет 5 – 8* 10-25 г/см3. Общая масса всей газовой материи в Галактике составляет примерно 0,01 – 0,02 общей массы всех звезд.
Звезды – горячие гиганты, излучающие большое количество высокоэнергетичных ультрафиолетовых квантов, подвергают ионизации весь межзвездный водород в значительной по размерам области вокруг себя. Вне этих областей водород в межзвездном пространстве находится в нейтральном состоянии. Таким образом, все пространство Галактики можно разделить на две зоны:
зоны Н I, где водород не ионизован, то есть, в нейтральном состоянии;
зоны HII, то есть, ионизованного водорода.
В конце 1970-х гг. астрофизик Рон Рейнольдс из США направил на небо специально сконструированный спектрометр, и обнаружил прежде не наблюдаемый феномен – красноватое свечение ионизированного водорода в межзвездном пространстве. В дальнейшем Рейнольдс и его коллеги разработали инструмент WHAM, спектрометр, способный регистрировать этот тусклый, рассеянный свет, исходящий из межзвездного пространства.
В новой работе ученые при помощи инструмента WHAMопубликовали самую подробную на сегодняшний день карту ионизированного водорода, наполняющего Галактику Млечный Путь. Ныне известная астрофизикам как «слой Рейнольдса», эта структура, составляющая 75000 световых лет в диаметре и 6000 световых лет в толщину, расположена в плоскости галактики и вращается вместе с ней. В приведенной фотографии, опубликованной по результатам работы лаборатории Рейнольдса, зоны свечения межзвездного ионизованного водорода показаны красным цветом. Интенсивность окраски соответствует интенсивности свечения водорода. Как выяснилось, зоны ионизованного водорода вокруг звезд - горячих гигантов оказались больше, чем предполагалось ранее.
Рис.25/4. Фотография излучения ионизованного межзвездного водорода в Галактике.
Рис.25/5. Фотография излучения нейтрального межзвездного водорода в Галактике.
Во второй половине XXвека было сделано интересное открытие. Оказалось, что нейтральный водород излучает эмиссионную линию с длиной волны 21 см. Это позволило расширить возможности изучения нейтрального водорода с помощью радиотелескопов, более того, дало неоценимую возможность изучить вращение Галактики. Этот метод в настоящее время дает наиболее надежные данные о вращении нашей звездной системы. В результате определения скорости вращения Галактики стало понятно, что наша Солнечная система обращается вокруг Галактического центра с периодом 275 миллионов лет. Эту величину стали считать галактическим годом. Но нужно понимать, что нет единой скорости, а значит, и единого периода обращения для всех без исключения звезд, потому что Галактика вращается не как твердое тело. Для сравнения подойдет вращение жидкости в тазу – ближайшие к центру области вращаются быстрее, а более отдаленные медленнее.
Рис.25/6. График вращения Галактики по мере удаления от ядра.
Кроме того, можно определить и скорость обращения Солнца вокруг центра Галактики. Она равна 220 км/сек.
Сравним скорости всех изученных космических движений, в которых участвует человек:
1.Скорость вращения Земли вокруг своей оси – max0,5 км/сек на экваторе.
2.Скорость движения Земли вокруг общего с Луной центра инерции – около 0,013 км/сек.
3.Скорость движения Земли вокруг Солнца – около 30 км/сек.
4.Скорость движения Солнечной системы относительно окрестных звезд – около 20 км/сек.
5.Скорость движения Солнечной системы и окрестных звезд вокруг центра Галактики – около 220 км/сек.
Кроме газа, в пространстве между звездами имеются пылинки. Размеры их очень малы (радиусы порядка 10-4 – 10-5 см), и располагаются пылинки на значительных расстояниях друг от друга, так что среднее расстояние между пылинками-соседями, даже около плоскости Галактики, составляет около 100 метров. Поэтому средняя плотность пылевой материи в Галактике еще меньше, чем газовой. Общая масса пылевой материи в Галактике в 100 раз меньше общей массы газа, и, следовательно, в 5000 – 10 000 раз меньше, чем масса всех звезд. Казалось бы, влияние пылевой материи в Галактике ничтожно. Однако, для астрономов именно пылевая материя является наиболее мешающим фактором – из-за нее вся Вселенная для наблюдателей погружена в серый туман. Близкие к нам объекты, как и в обычном тумане, видны достаточно хорошо, но вот отдаленные скрыты непроницаемой завесой.
Рис.5/7. Темная пылевая туманность «Конская голова»
Пылевая материя сильнее поглощает голубые и синие лучи, чем желтые и красные, поэтому свет белых и голубых звезд ослабляется гораздо сильнее, чем свет оранжевых, желтых и красных звезд. Как в тумане мы не видим света мощного прожектора, находящегося на прямой линии за километр от нас, но хорошо видим висящую высоко в небе Луну, так и в Галактике мы не видим даже яркую звезду, расположенную в галактической плоскости, пусть даже на небольшом от нас расстоянии, но хорошо видим шаровое скопление, расположенное высоко над плоскостью Галактики, пусть даже на расстоянии в 10 раз большем. Но есть и различия пылевого тумана Галактики и обычного земного тумана. Земной туман распределен равномерно, а вот пылевая материя в Галактике имеет крайне неоднородную структуру, она собрана в отдельные облака различной формы и протяженности.
Рис.25/8. Кольцеобразная (планетарная) пылевая туманность в созвездии Водолея.
Длительные наблюдения, расчеты и изучение пылевой материи привели астрономов к выводу, что одно пылевое облако в среднем ослабляет свет звезды на 0m,25 – 0m,30.
Пылевая и газовая материи в Галактике обычно перемешаны, но пропорции их в различных местах различны. Встречаются газовые облака с очень небольшой примесью пыли, и облака, в которых пыль преобладает, а газа немного. Для обозначения всей межзвездной материи в Галактике – газ, пыль, смесь газа и пыли – употребляется общий термин «диффузная материя».
Рис.25/9. Диффузная (газопылевая) туманность М42.
ФормаГалактики отличается от диска еще и тем, что в центре ее имеется утолщение – ядро. Это ядро, хоть в нем и находится очень большое количество звезд, долгое время не удавалось наблюдать, так как оно закрыто от нас огромными темными облаками пыли, расположенными около плоскости симметрии. Однако, использовав инфракрасные телескопы, астрономы смогли обрисовать контуры галактического ядра. Диаметр ядра, как оказалось, не слишком велик, и составляет около 1300 пс. Исследования последних десятков лет показали, что, кроме ядра, в нашей Галактике имеется еще и перемычка – балдж, или бар – область концентрации звезд, вытянутая на небольшом расстоянии в обе стороны от ядра.
Рис.25/10.Примерная структура галактических ветвей.
При изучении расположения составляющих Галактики стало понятно, что большое количество разных объектов сосредоточены в областях пространства, получивших название спиральных ветвей. Обрисовать контуры спиральных ветвей достаточно трудно, поскольку мы, то есть, наблюдатели, находимся «внутри» Галактики. Однако, в основных своих чертах спиральные ветви удалось обрисовать по результатам исследований в инфракрасных, рентгеновских и ультрафиолетовых лучах.
Рис.25/11.Млечный Путь в различных спектрах излучений.