Галактики и их излучения

Острова Вселенной: галактики. Общее представление о галактиках и их излучении. Вскоре после изобретения телескопа внимание наблюдателей при­влекли многочисленные светлые пятна туманного вида, так и назван­ные туманностями, видимые в разных созвездиях неизменно в одних и тех же местах. С помощью сильных телескопов В. Гершель и его сын Джон открыли множество таких туманных пятен, а к концу прошлого века было обнаружено, что некоторые из них имеют спиральную форму. Но долго оставалось загадкой, что представляют собой эти тyманности. Только в 20-е гг. ХХ в. с помощью крупнейших в то время телескопов удалось разложить туманности на звезды. Стало ясно, что тyманности - это не облака пыли, светящиеся отраженным светом, и не облака разреженного газа, а чрезвычайно далекие звездные систе­мы, в которых звезд нecpaвненно больше, чем в близких к Солнцу шаровых скоплениях.
Галактики - это гигантские звездные системы (примерно до 1013 звезд). Такого же порядка (n = 13) и массы галактик по отношению к массе Солнца. Некоторые галактики можно разглядеть в хороший бинокль. Га­лактику Андромеды, большую по размерам и находящуюся достаточ­но близко к Солнцу (всего в 1,5 млн световых лет), в состоянии увидеть человек с хорошим зрением: это размытое пятно в созвездии Андромеды. Современные телескопы позволяют отыскать сотни миллионов других галактик. Строение их различно. Но наиболее характерна и примечательна одна форма -уплощенный диск с выпук­лостью в центре, откуда исходят спиральные рукава. Галактика Анд­ромеды, как и наша собственная, принадлежит к спиральному типу галактик. Солнечная система расположена в одном из спиральных рукавов Галактики на расстоянии примерно двух третей ее радиуса от центра. Следует помнить, что, наблюдая Вселенную, мы видим галактики не такими, какие они есть теперь, а такими, какими они были в далеком прошлом. Ведь свет от них приходит к нам через пространство в миллионы и миллионы километров, на преодоление которого он затрачивает миллионы лет. Свет от ближайшей к нам галактики Андромеды достигает Земли через 1,5 млн лет. С помощью больших телескопов можно наблюдать еще намного более далекие галактики, и мы видим их такими, какими они были миллиарды лет назад. Рас­стояние до самых дальних из наблюдаемых в настоящее время галак­тик - свыше 10 млрд световых лет. Изучение мира галактик является сейчас наиболее бурно развива­ющейся областью астрономии. Именно в этой области происходят наиболее поразительные открытия, которые подводят нас к раскры­тию глубинных тайн Вселенной, загадок, наиболее потрясающих во­ображение. Изучение галактик требует максимально мощных инстру­ментов, в частности, оптических телескопов с зеркалом диаметром более метра, а также новейших средств и методов исследования сла­бых объектов (в частности, радиоастрономии). Велики не только размеры галактик и расстояния до них, велико и количество галактик, которые наблюдаются астрономами. Так, самый большой 6-метровый телескоп позволяет сфотографировать миллиарды галактик. В хорошо исследованной области пространства, на расстояниях 1500 Мпк, находится сейчас несколько миллиардов галактик. Таким образом, наблюдаемая нами областъ Вселенной - это прежде всего мир галактик. Одна из центральных проблем внегалактической астрономии связана с определением расстояний до галактик и размеров самих галактик. Расстояния до ближайших галактик, которые можно разложить на звезды, определяются по их светимости. Сложнее оценить расстояние до далеких галактик. В 1912 г. американский астроном В. Слайфер обнаружил эффект красного смещения в спектрах далеких галактик: их спектральные линии оказались смещенными к длинноволновому (красному) краю по сравнению с такими же линиями в спектрах источников, непо­движных относительно наблюдателя. В 1929 г. американский астро­ном Э. Хаббл, сравнивая расстояния до галактик и их красные смеще­ния, обнаружил, что последние растут в среднем пропорционально расстояниям (закон Хаббла). Этот закон дал астрономам эффектив­ный метод определения расстояний до галактик по следующей фор­муле:
r = cz/ H (Мпк), где r - расстояние до галактики; с - скорость света; z = (λпр – λис) / λис; Н - постоянная Хаббла. По современной оценке, постоянная Хаббла (отношение скорости удаления (V) внегалактических источников к расстоянию (R) до них Н = V/ R) составляет от 50 до 100 км/(с*Мпк). В настоящее время измерены красные смещения тысяч галактик и квазаров. Определение расстояний до галактик и их положения на небе позволило сделать еще один вывод. Оказалось, что большинство га­лактик входит в группировки, которые насчитывают от нескольких галактик (группа галактик) до сотен и тысяч галактик (скопление галак­тик) и даже облака скоплений (сверхскопления). Наблюдаются и одиночные галактики, но они относительно редки (не более 10%). Дру­гими словами, если галактики - это «острова Вселенной», то они, как правило, объединены в архипелаги. Размеры галактик тоже различны. Есть галактики-карлики в несколько десятков световых лет и галактики-великаны с поперечником до 18 млн световых лет. Средние расстояния между галактиками в группах и скоплениях примерно в 10-20 раз больше, чем размеры крупнейших галактик. Расстояния между скоплениями галактик составляют десятки мега­парсек. Таким образом, галактики заполняют пространство с большей отноcительной плотностью, чем звезды во внутригалактическом простран­стве (расстояния между звездами в среднем в 20 млн раз больше их диаметра). Наиболее исследована Местная группа галактик, в которой самы­ми яркими являются наша Галактика и туманность Андромеды. Во­круг них, в свою очередь, располагаются еще целые семейства галактик. Так, в семейство нашей Галактики входят 14 карликовых эллип­тических галактик, несколько внегалактических шаровых скоплений и ряд так называемых неправильных галактик, среди которых круп­нейшие Магеллановы Облака (Большое и Малое). Недавно открыта новая галактика, которая находится от нас на расстоянии всего 55 тыс. световых лет. Ее назвали Сникерс (усмешка, ухмылка). Не­сколько меньшее семейство у туманности Андромеды (одна спираль­ная, две эллиптические и несколько карликовых). Ближайшие соседние группы галактик располагаются в 2-5 Мпк от Местной группы и по составу похожи на нее. В пределах 10-20 Мпк около нашей Галактики обнаружено несколько десятков групп галак­тик. Ближайшее крупное скопление галактик находится в созвездии Девы на расстоянии около 20 Мпк. В это скопление входит около 200 галактик средней и высокой светимости. Скопление в созвездии Девы представляет собой, по-видимому, центральное сгущение еще более крупной системы галактик - сверхскопления галактик. (Уже давно замечено, что яркие галактики расположены по небу не беспо­рядочно, а поясом, который можно назвать Млечным Путем галак­тик.) Общее число галактик нашего сверхскопления, исключая кар­ликовые, около 20 000, диаметр его около 60 Мпк. Ближайшие соседи нашего Сверхскопления - сверхскопления в созвездии Льва (на рас­стоянии 140 Мпк) и в созвездии Геркулеса (190 Мпк). В настоящее время выявлено свыше полусотни сверхскоплений галактик. Чрезвычайно многообразны и формы галактик. Типология форм галактик, разработанная еще Э. Хабблом, в основном сохранилась до настоящего времени, хотя, конечно, за прошедшие десятилетия были обнаружены и новые типы галактик. Хаббл выделял три основ­ных типа галактик:
Ø эллиптическиe, имеющие круглую или эллиптическую форму (обо­значаются Е); это наиболее простые галактики, не содержащие горя­чих звезд, сверхгигантов, пыли и газовых туманностей; в центре их нет ядра; Ø спиральные, которые Хаббл разбил на два семейства - обычные (S) и пересеченные (SВ). У первых ветви выходят непосредственно из ядра; у вторых ядро пересечено широкой, яркой полосой, называе­мой перемычкой или баром; спиральные ветви отходят от концов бара;
Ø неправильные галактики (Ir) имеют клочковатое строение и непра­вильную форму; яркость и светимость их невелики; они изобилуют горячими сверхгигантами, газовыми туманностями и пылью (напри­мер, Большое и Малое Магеллановы Облака); к неправильным галак­тикам относятся также взаимодействующие галактики; большинство неправильных галактик - карлики. Форма и структура галактик связаны с их основными физически­ми характеристиками: размером, массой, светимостью. И по этим характеристикам мир галактик оказался поразительно разно­образным. В центрах галактик обычно сосредоточено огромное количество вещества (до 10 % всей ее массы). Здесь происходят выбросы большо­го количества вещества, что приводит к интенсивному движению от центра туч водорода. В отдельных галактиках ядро, по-видимому, может представлять собой черную дыру. По нашим человеческим меркам галактики невообразимо огром­ны, но в космологических масштабах они ничтожно малы. Галак­тики разбросаны по Вселенной более или менее беспорядочно, од­нако они обычно собраны в небольшие группы. Подобные группы галактик - «атомы» космологии. Космология рассматривает пове­дение Вселенной лишь в масштабах такого или более высокого по­рядков. Процессы, происходящие в отдельных галактиках (хотя они могут быть очень важными) редко становятся существенными для космологии. Понятие Метагалактики. Совокупность галактик всех типов, квазаров, межгалактической среды образует Метагалактику - доступную наблюдениям часть Все­ленной. Одно из важнейших свойств Метагалактики - ее постоянное рас­ширение, «разлет» скоплений галактик. Об этом свойстве Метагалак­тики свидетельствуют «красное смещение» в спектрах галактик и открытие реликтового излучения (фоновое, независимое от направ­ления внегалактическое тепловое излучение, соответствующее тем­пературе около 3 К). Из явления расширения Метагалактики вытекает важное следст­вие: в прошлом расстояния между галактиками были меньше. А если учесть, что и сами галактики в прошлом были протяженными и раз­реженными газовыми облаками, то очевидно, что миллиарды лет назад границы этих облаков смыкались и образовывали некоторое единое однородное газовое облако, испытывавшее постоянное рас­ширение. Важное свойство Метагалактики - равномерное распределение в ней вещества (основная масса вещества сосредоточена в звездах). В современном состоянии Метагалактика - однородна и изотропна, т.е. свойства материи и пространства одинаковы во всех частях Ме­тагалактики (однородность) и по всем направлениям (изотропия). Маловероятно, что она была такой в прошлом. В самом начале рас­ширения Метагалактики анизотропия и неоднородность материи и пространства вполне могли существовать. Поиски следов анизотропии и неоднородности прошлых состояний Метагалактики - одна из важнейших проблем современной внегалактической астрономии. Исчерпывает ли Метагалактика собой всю возможную материю и пространство? Многие ученые так и считают, утверждая единственность всей нашей расширяющейся Метагалактики - Вселенной. Но такие утверждения напоминают космологию Аристотеля, многократ­но повторявшиеся заявления о единственности Земли со светилами вокруг нее, единственности Солнечной системы, единственности нашей Галактики и т.д. И потому все чаще высказывается мысль о множественности «метагалактик», множественности вселенных, каждая из которых имеет свой собственный набор фундаментальных физических свойств материи, пространства и времени, свой тип нестационарности, организации и др. Эти гипотезы не противоречат современным математическим и физико-теоретическим представлениям. Более того, многие модели релятивистской космологии зако­номерно подводят к выводам такого рода. Одна из теоретических посылок для такого вывода связана с тем, что уравнения ОТО и квантовой физики не дают ответа на вопрос о начальных условиях эволюции нашей Вселенной. Здесь возможны два варианта: 1) первичное сингулярное состояние вещества из множества по­тенциальных физических возможностей реализовалось в одну реаль­ную - нашу Метагалактику; 2) во Вселенной осуществляется все многообразие физических условий, явлений и движений, допускаемых основными физически­ми теориями. Если допустить вторую возможность, то надо признать, что ре­ально существует множество вселенных (метагалактик), образовав­шихся в результате «Большого Взрыва», связанных между собой некими материальными «каналами», о которых мы пока можем толь­ко догадываться (представления о топосах и др.) и для познания которых понадобится как минимум завершенная теория супергравитации, а может даже и некоторая «новая физика». Литература. 1. Найдыш В.М. «Концепции современного естествознания», М., 1999г.