Возникновение и эволюция галактик

Введение.

Звезда́ —
небесное
тело, в котором идут, шли или будут
идти термоядерные
реакции. Но чаще всего звездой называют
небесное тело, в котором идут в данный
момент термоядерные реакции. Солнце —
типичная звезда спектрального
класса G. 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.

Звёздная
эволюцияастрономии —
последовательность изменений, которым
звезда
подвергается в течение её жизни, то есть
на протяжении сотен тысяч, миллионов
или миллиардов лет, пока она излучает
свет и тепло. В течение таких колоссальных
промежутков времени изменения оказываются
весьма значительными.

Изучение
звёздной эволюции невозможно наблюдением
лишь за одной звездой — многие
изменения в звёздах протекают слишком
медленно, чтобы быть замеченными даже
по прошествии многих веков. Поэтому
учёные изучают множество звёзд, каждая
из которой находится на определённой
стадии жизненного цикла. За последние
несколько десятилетий широкое
распространение в астрофизике
получило моделирование
структуры звёзд с использованием
вычислительной
техники

Галактиками
наз. гигантские (до ~1013
звёзд) звёздные системы, расположенные
вне нашей Галактики. Их наз. ещё
внегалактич. туманностями, т. к. при
визуальном наблюдении в телескоп они
выглядят туманными пятнышками, как и
обычные газовые туманности. Сведения
о Г. приводятся в спец. астрономич.
каталогах. Из них наиболее известны
первый каталог туманностей и звёздных
скоплений, составленный в конце 18 в.
франц. астрономом Ш. Мессье (в этом
каталоге туманность Андромеды, напр.,
записана под номером 31 и обозначается
М 31), и «Новый общий каталог» (1888 г.)
англ. астронома Й. Дрейера (сокращённо
NGC, в нём туманность Андромеды обозначается
NGC 224).

Возникновение
галактик —
появление крупных гравитационно-связанных
скоплений материи,
имевшее место в далёком прошлом
Вселенной.
На данный момент удовлетворительной
теории возникновения и эволюции галактик
не существует. Есть несколько конкурирующих
теорий, объясняющих это явление, но
каждая имеет свои серьезные проблемы.

Образование

Длительное время бытовала еще одна догадка, связанная с эллиптическими галактиками. Они считались самыми первыми из появившихся, сформировавшимися скоро после Огромного взрыва. Сегодня эта теория считается устаревшей. Большой вклад в ее опровержение занесли немецкие астрологи Алар и Юрий Тумре, также южноамериканский ученый Франсуа Швайцер. Их исследования и открытия последних лет подтверждают истинность другой догадки, иерархической модели развития. Согласно ей более крупные структуры формировались из довольно небольших, то есть галактики образовались далековато не сразу. Их появлению предшествовало образование звездных скоплений.

Эллиптические системы по современным представлениям сформировались из спиралевидных в результате слияния рукавов. Одно из подтверждений этого — огромное количество «закрученных» галактик, наблюдаемое в удаленных участках космоса. Напротив, в наиболее приближенных областях приметно выше концентрация эллиптических систем, довольно ярких и протяженных.

Первая стадия эволюции галактики — формирование

С чего начинается эволюция галактики? Вселенская материя появилась 13.8 миллиардов лет назад в момент Большого Взрыва. В тот временной отрезок она была настолько упакована и сжата, что представляла собою небольшой шар с неисчислимой плотностью и интенсивным теплом – сингулярность. Внезапно запустился процесс расширения, и сингулярность стала увеличивать свои «границы».

Эволюция галактик на примере тысячи фотографий, сделанных космическим телескопом Хаббл. Нажмите на изображение, чтобы его увеличить

Чем больше Вселенная расширялась, тем сильнее остывала. Поэтому у материи появилась возможность распределиться практически равномерно. Дальше гравитация стала притягивать плотные области, накапливая газовые облака и большие скопления, которые и стали древними галактиками (родились первые звезды). Некоторые из них были маленькими и трансформировались в карликовые галактики, другие (покрупнее) – спиральные.

Термоядерный синтез в недрах звёзд.

К
1939
году было установлено, что источником
звёздной энергии является происходящий
в недрах звёзд термоядерный
синтез .
Большинство звёзд излучают потому, что
в их недрах четыре протона
соединяются через ряд промежуточных
этапов в одну альфа-частицу.
Это превращение может идти двумя
основными путями, называемыми
протон-протонным
или p-p-циклом и углеродно-азотным
или CN-циклом. В маломассивных звёздах
энерговыделение в основном обеспечивается
первым циклом, в тяжёлых — вторым.
Запас ядерного топлива в звезде ограничен
и постоянно тратится на излучение.
Процесс термоядерного синтеза, выделяющий
энергию и изменяющий состав вещества
звезды, в сочетании с гравитацией,
стремящейся сжать звезду и тоже
высвобождающей энергию, а также с
излучением с поверхности, уносящим
выделяемую энергию, являются основными
движущими силами звёздной эволюции.

Класс и общее строение

Изображение Млечного Пути с выраженными рукавами

По классу Млечный Путь относится к спиральным галактикам с пролегающей через центр перемычкой. Данный тип считается самым распространенным во Вселенной. Спиральные составляют примерно 56% от общего количества галактик, и 65% из них имеют перемычку.

В центре Млечного Пути располагается активное ядро, выпускающее в пространство большое количество энергии. Вокруг него сосредоточен диск, состоящий из газа, пыли и объектов, вращающихся на большой скорости. Возле центра располагается балдж, через который проходит перемычка. Он состоит из большого количества гигантских звезд.

Интересный факт: балдж является самой яркой составляющей Млечного Пути, но с Земли его света не видно из-за рукавов.

Через балдж проходит перемычка, к которой прикреплены рукава. В ней сосредоточено большое количество газа, из-за чего здесь до сих пор появляются новые звезды. Объекты внутри рукавов вращаются с разными скоростями, причем ту область, где располагается Солнечная система, можно назвать самой спокойной. Здесь отсутствуют большие скопления галактической пыли, которые отрицательно влияют на звезды и планеты.

Вокруг видимого диска Млечного Пути располагается гало – гигантская сферическая область, в которой встречаются разовые скопления. Они также движутся относительно центра галактики, но гораздо медленнее и хаотичнее, нежели объекты внутри диска. Не так давно астрономы установили, что скопления внутри гало – это бывшие карликовые галактики, которые поглотил Млечный Путь.

Классификация и характеристика эллиптических галактик

Система распределения галактических типов появилась в 1926 году благодаря Эдвину Хабблу – «камертон Хаббла». Согласно ей, все галактики классифицируют по форме. У эллиптических есть свои подвиды, которые отличаются протяжностью. Е0 – почти идеальные круги, а Е7 – скорее длиннее, чем шире. Не забывайте также, что галактика может поворачиваться к нам лицом или стороной, от чего вызывает путаницу у новичков.

Это эллиптическая галактика NGC 1316 (созвездие Печь), удаленная на 62 миллиона световых лет. Может пребывать на ранней стадии слияния с меньшим спутником (декабрь 2003).

Эллиптический отличаются богатым диапазоном размеров. Самые маленькие галактики (карликовые эллиптические) достигают меньше 10% размера Млечного Пути, а по массе лишь в 10 миллионов раз больше солнечной. Но некоторые могут охватывать в ширине больше миллиона световых лет и содержать более 10 триллионов звезд. Здесь стоит упомянуть Мессье 87 (Е0) – одна из самых больших эллиптических галактик. Не так давно был найден и призер по размеру – IC 1101. Она в 50 раз крупнее нашей и в 2000 раз массивнее.

Ученые полагали, что спиральных галактик больше. Но дело лишь в том, что они быстрее и проще находятся. В спиральных сосредоточены молодые звезды и много областей звездообразования. А вот эллиптические скорее мертвые. В них мало пыли и газа, а значит, новые звезды не могут формироваться. Вместо этого присутствуют старые красные звезды.

Но, если было найдено меньше эллиптических галактик, тогда почему ученые говорят, что они доминируют? С продвижением технологий нам удается смотреть глубже в пространство, где и расположены эллиптические галактики. Поэтому подсчеты производятся с учетом полноценного размера Вселенной.

Гигантская эллиптическая галактика Центавр А показывает двойственность, так как в ядре скрывается газовая спираль. 3000 миллионов лет назад она столкнулась со спиральной галактикой, из-за чего внутри большей сформировалась новая спираль.

История и формирование эллиптических галактик

Из-за небольшого содержания газа и наполненности старыми звездами, исследователи думают, что эллиптические галактики представляют собою конец эволюционной линии. Галактики сталкиваются очень часто. Например, Млечный Путь ждет та же участь, когда он сольется с Андромедой через несколько миллиардов лет. В момент удара привычная форма спиральных теряется, и они превращаются в спиральные.

В центрах древних галактик находятся сверхмассивные черные дыры. Они поглощают много газа и пыли и могут быть причиной замедления роста эллиптических. Созданные столкновением появляются чаще ближе к скоплениям или галактическим группам. Намного меньше таких случаев можно найти в ранней Вселенной. Смотрите видео про галактики, чтобы узнать больше о галактическом развитии, эволюции, рождении звезд и трансформации в эллиптический тип.

Ближайшая к нам галактика

Самая большая галактика

Эволюция галактик

Галактический центр

Спиральные галактики

Что такое галактика?

В космосе всем заведует сила гравитации. Если бы не она, то на просторах бесконечно расширяющейся – да еще и с ускорением – Вселенной не было бы ни одной галактики. После Большого взрыва, который произошел 13,8 миллиардов лет назад, Вселенная продолжала расширяться, постепенно охлаждаясь. После окончания темных веков – начиная с конденсации нейтрального газа – постепенно начали образовываться сгустки материи.

По сути, галактика – это крупные гравитационно-связанные системы из скоплений материи, звезд, облаков газа и пыли, темной материи и планет. При этом все объекты в составе галактики движутся относительно общего центра масс – сверхмассивной черной дыры, расположенной в самом сердце галактик. Странно, не так ли? Поэтому ученые всматриваются в глубины космоса, пытаясь узнать как можно больше об этом загадочном месте.

Галактические вычисления

Эдвин Хаббл является основоположником галактических исследований. Он первый, кому удалось определить, как можно вычислить точное расстояние до галактики. В своих исследованиях он опирался на метод пульсирующих звезд, которые более известны как цефеиды. Ученый смог заметить связь между периодом, который нужен для завершения одной пульсации яркости, и той энергией, которую выделяет звезда. Результаты его исследований стали серьезным прорывом в области галактических исследований. Помимо этого, он обнаружил, что есть корреляция между красным спектром, излучаемым галактикой, и расстоянием до нее (постоянная Хаббла).

В наше время астрономы могут измерять расстояние и скорости галактики посредством измерения количества красного смещения в спектре. Известно, что все галактики Вселенной движутся друг от друга. Чем дальше галактика находится от Земли, тем больше ее скорость движения.

Чтобы визуализировать данную теорию, достаточно представить себя за рулем авто, который двигается на скорости 50 км в час. Перед Вами едет авто быстрее на 50 км в час, что говорит о том, что скорость его передвижения составляет 100 км в час. Перед ним есть еще одно авто, которое движется быстрее еще на 50 км в час. Несмотря на то что скорость всех 3 машин будет разной на 50 км в час, первый автомобиль на самом деле движется от Вас на 100 км в час быстрее. Поскольку красный спектр говорит о скорости движения галактики от нас, получается следующее: чем больше красное смещение, тем, соответственно, галактика быстрее движется и тем большее ее расстояние от нас.

Сейчас мы располагаем новыми инструментами, помогающими ученым в поисках новых галактик. Благодаря космическому телескопу Хаббла ученым удалось увидеть то, о чем раньше оставалось только мечтать. Высокая мощность этого телескопа обеспечивает хорошую видимость даже мелких деталей в ближних галактиках и позволяет изучать более дальние, которые никому еще не были известны. В настоящее время новые инструменты наблюдения космоса находятся в стадии разработки, а в скором будущем они помогут получить более глубокое понимание структуры Вселенной.

Наша галактика

Ближайшая к нам звезда Солнце относится к миллиарду звезд в галактике Млечный путь. Посмотрев на ночное звездное небо, тяжело не заметить широкую полосу, усыпанную звездами. Скопление этих звезд древние греки назвали Галактикой.

Если бы у нас была возможность посмотреть на эту звездную систему со стороны, мы бы заметили сплюснутый шар, в котором насчитывается свыше 150 млрд. звезд. Наша галактика имеет такие размеры, которые тяжело представить в своем воображении. Луч света путешествует с одной ее стороны на другую сотню тысяч земных лет! Центр нашей Галактики занимает ядро, от которого отходят огромные спиральные ветви, заполненные звездами. Расстояние от Солнца до ядра Галактики составляет 30 тысяч световых лет. Солнечная система расположена на окраине Млечного пути.

Звезды в Галактике несмотря на огромное скопление космических тел встречаются редко. Например, расстояние между ближайшими звездами в десятки миллионов раз превышает их диаметры. Нельзя сказать, что звезды разбросаны во Вселенной хаотично. Их местоположение зависит от сил гравитации, которые удерживают небесное тело в определенной плоскости. Звездные системы со своими гравитационными полями и называют галактиками. Кроме звезд, в состав галактики входит газ и межзвездная пыль.

Состав галактик.

Вселенную составляет также множество других галактик. Наиболее приближенные к нам отдалены на расстояние 150 тыс. световых лет. Их можно увидеть на небе южного полушария в виде маленьких туманных пятнышек. Их впервые описал участник Магеллановой экспедиции вокруг мира Пигафетт. В науку они вошли под названием Большого и Малого Магеллановых Облаков.

Ближе всего к нам расположена галактика под названием Туманность Андромеды. Она имеет очень большие размеры, поэтому видна с Земли в обычный бинокль, а в ясную погоду – даже невооруженным глазом.

Само строение галактики напоминает гигантскую выпуклую в пространстве спираль. На одном из спиральных рукавов за ¾ расстояния от центра находится Солнечная система. Все в галактике кружится вокруг центрального ядра и подчиняется силе его гравитации. В 1962 году астрономом Эдвином Хабблом была проведена классификация галактик в зависимости от их формы. Все галактики ученый разделил на эллиптические, спиральные, неправильные и галактики с перемычкой.

В части Вселенной, доступной для астрономических исследований, расположены миллиарды галактик. В совокупности их астрономы называют Метагалактикой.

Как появились галактики

Для начала обратимся к теории Большого взрыва. Как известно, происхождение галактик, как и других объектов глубокого космоса, стало возможным именно после него.

Галактики

К тому же, сразу после взрыва появилась сингулярность. То есть в первые секунды состояние Вселенной было бесконечно плотным и с одной огромной температурой. В дальнейшем однородная среда при остывании начала расширяться. С течением времени более плотные участки притягивались друг к другу силой гравитации.

Существует принцип гравитационной неустойчивости. Его смысл заключается в том, что частицы вещества не могут постоянно быть равномерно распределены в пространстве. Его элементы стремятся друг к другу. Тем самым создавая уплотнённые соединения.

Таким образом образовались газовые облака и сгустки материи. В последующем произошло образование звёзд. А затем из них появились целые галактики.

Газовые облака

Саргассовы планеты

Но что делать, если планета-океан по недоразумению все же имеет земную плотность атмосферы? И здесь все не так плохо. На Земле водоросли стремятся прикрепиться к дну, но там, где для этого нет никаких условий, оказывается, что водные растения вполне могут плавать.

Часть саргассовых водорослей использует наполненные воздухом мешочки (они напоминают виноградины, откуда и португальское слово «саргассы» в названии Саргассова моря) для обеспечения плавучести, и в теории это позволяет брать СО₂ из воздуха, а не из воды, где его дефицит. За счет плавучести им проще заниматься фотосинтезом. Правда, такие водоросли хорошо размножаются лишь при довольно высоких температурах воды, и поэтому на Земле им бывает относительно неплохо только в некоторых местах, типа Саргассова моря, где вода весьма теплая. Если планета-океан достаточно тепла, то даже земная плотность атмосферы не является непреодолимым препятствием для морских растений. Они вполне могут брать СО₂ из атмосферы, избегая проблем с низким содержанием углекислого газа в теплой воде.

Саргассовы водоросли. Фото: Allen McDavid Stoddard / Фотодом / Shutterstock

Что интересно, плавучие водоросли в том же Саргассовом море порождают целую плавучую экосистему, что-то вроде «плавучей суши». Там живут крабы, для которых плавучести водорослей хватает, чтобы передвигаться по их поверхности так, будто это суша. Теоретически в спокойных районах планеты-океана на плавучих группах морских растений может развиваться довольно «сухопутная» жизнь, хотя самой суши там и не сыщешь.

История и будущее Млечного Пути

По оценкам, Млечному Пути более 13 миллиардов лет

Ученые не могут назвать точный возраст Млечного Пути, но галактика считается довольно древней. Доказательством тому является звезда HD 140283. Она находится в ее области и лишь на 100 млн лет младше, чем Вселенная.

Было установлено, что все вещества, которые находятся в пространстве Млечного Пути и входят в состав его светил, уже раньше принадлежали другим звездам. Однако последние просуществовали недолго и взорвались. Выброшенные в атмосферу газы постепенно притягивались, пока не образовали галактику.

Когда Млечный Путь сформировался, он занялся поглощением своих спутников – карликовых галактик. Даже сейчас его южный полюс постепенно вытягивает газы из обоих Магеллановых облаков.

По данным ученых, галактика уже прожила половину отведенного ей времени. В ее областях практически не осталось газа для формирования новых звезд. Однако последние еще достаточно молоды, поэтому смогут существовать долгое время. Ожидается, что гаснуть светила начнут примерно через 5 млрд лет. И тогда Млечный Путь начнет сближаться с Андромедой. Обе галактики осуществят взаимное поглощение, однако из-за больших размеров у последней больше шансов выйти победителем из этого противостояния.

Но астрономы не гарантируют, что события будут развиваться по этому сценарию. Учитывая, что до них еще несколько миллиардов лет, за этот период времени все может кардинально измениться.

Подтипы

В астрономии для обозначения спиралевидных галактик употребляется буковка S. Их делят на типы зависимо от структурной оформленности рукавов и особенностей общей формы:

галактика Sa: рукава туго закрученные, гладкие и неоформленные, балдж яркий и протяженный;

галактика Sb: рукава мощные, четкие, балдж менее выражен;

галактика Sc: рукава хорошо развиты, представляют собой клочковатую структуру, балдж просматривается плохо.

Кроме того, некоторые спиральные системы обладают центральной практически прямой перемычкой (ее называют «бар»). В обозначение галактики в данном случае добавляется буковка B (Sba либо Sbc).

Расположение звезд

Изображение Млечного Пути с акцентом на звезды

Любые звезды, которые способен рассмотреть человеческий глаз на небе, находятся в области рукава Ориона. Как правило, при хорошем освещении можно разглядеть примерно 9 тысяч звезд.

Большое количество светил располагается в центре галактики, именно поэтому он испускает такой яркий свет. Далее по диску распределяются более молодые объекты, входящие в состав разных созвездий и относящихся к одному из рукавов.

В гало также имеются звезды, но их количество очень мало по сравнению с теми, что “обитают” в центре. Если скопления в рукавах могут насчитывать по несколько миллиардов, то в темной области счет идет на миллионы. Причем основная часть звезд в гало уже прожила большую половину своей жизни, и они считаются очень старыми.