Что не является галактикой
Галактики
Галактикой называется большая система из звезд, межзвездного газа, пыли, темной материи и темной энергии, связанная силами гравитационного взаимодействия. Количество звезд и размеры галактик могут быть различными. Как правило, галактики содержат от нескольких миллионов до нескольких триллионов (1 000 000 000 000) звезд. Кроме обычных звезд и межзвездной среды галактики также содержат различные туманности. Размеры галактик от нескольких тысяч до нескольких сотен тысяч световых лет. А расстояние между галактиками достигает миллионов световых лет.
Около 90 % массы галактик приходится на долю темной материи и энергии. Природа этих невидимых компонентов пока не изучена. Существуют свидетельства того, что в центре многих галактик находятся сверхмассивные чёрные дыры. Пространство между галактиками практически не содержит вещества и имеет среднюю плотностью меньше одного атома на кубический метр. Предположительно, в видимой части вселенной находится около 100 млрд. галактик.
По классификации, предложенной астрономом Эдвином Хабблом, в 1925 году существуют несколько видов галактик:
Эллиптические галактики — класс галактик с четко выраженной сферической структурой и уменьшающейся к краям яркостью. Они сравнительно медленно вращаются, заметное вращение наблюдается только у галактик со значительным сжатием. В таких галактиках нет пылевой материи, которая в тех галактиках, в которых она имеется, видна как тёмные полосы на непрерывном фоне звёзд галактики. Поэтому внешне эллиптические галактики отличаются друг от друга в основном одной чертой — большим или меньшим сжатием.
Доля эллиптических галактик в общем числе галактик в наблюдаемой части вселенной — около 25 %.
Спиральные галактики названы так, потому что имеют внутри диска яркие рукава звёздного происхождения, которые почти логарифмически простираются из балджа (почти сферического утолщения в центре галактики). Спиральные галактики имеют центральное сгущение и несколько спиральных ветвей, или рукавов, которые имеют голубоватый цвет, так как в них присутствует много молодых гигантских звезд. Эти звезды возбуждают свечение диффузных газовых туманностей, разбросанных вместе с пылевыми облаками вдоль спиральных ветвей. Диск спиральной галактики обычно окружён большим сфероидальным гало (светящееся кольцо вокруг объекта; оптический феномен), состоящим из старых звёзд второго поколения. Все спиральные галактики вращаются со значительными скоростями, поэтому звезды, пыль и газы сосредоточены у них в узком диске. Обилие газовых и пылевых облаков и присутствие ярких голубых гигантов говорит об активных процессах звездообразования, происходящих в спиральных рукавах этих галактик.
Многие спиральные галактики имеют в центре перемычку (бар), от концов которой отходят спиральные рукава. Наша Галактика также относится к спиральным галактикам с перемычкой.
Линзообразные галактики — это промежуточный тип между спиральными и эллиптическими. У них есть балдж, гало и диск, но нет спиральных рукавов. Их примерно 20% среди всех звездных систем. В этих галактиках яркое основное тело – линза, окружено слабым ореолом. Иногда линза имеет вокруг себя кольцо.
Неправильные галактики — это галактики, которые не обнаруживают ни спиральной, ни эллиптической структуры. Чаще всего такие галактики имеют хаотичную форму без ярко выраженного ядра и спиральных ветвей. В процентном отношении составляют одну четверть от всех галактик. Большинство неправильных галактик в прошлом являлись спиральными или эллиптическими, но были деформированы гравитационными силами.
Эволюция галактик
С момента зарождении галактика начинает сжиматься. Сжатие галактики длится около 3 млрд лет. За это время происходит превращение газового облака в звездную систему. Звезды образуются путем гравитационного сжатия облаков газа. Когда в центре сжатого облака достигаются плотности и температуры, достаточные для эффективного протекания термоядерных реакций, рождается звезда. В недрах массивных звезд происходит термоядерный синтез химических элементов тяжелее гелия. Эти элементы попадают в первичную водородно-гелиевую среду при взрывах звезд или при спокойном истечении вещества со звездами. Элементы тяжелее железа образуются при грандиозных взрывах сверхновых звезд. Таким образом, звезды первого поколения обогащают первичный газ химическими элементами, тяжелее гелия. Эти звезды наиболее старые и состоят из водорода, гелия и очень малой примеси тяжелых элементов. В звездах второго поколения примесь тяжелых элементов более заметная, так как они образуются из уже обогащенного тяжелыми элементами первичного газа.
Процесс рождения звезд идет при продолжающемся сжатии галактики, поэтому формирование звезд происходит все ближе к центру системы, и чем ближе к центру, тем больше должно быть в звездах тяжелых элементов. Этот вывод хорошо согласуется с данными о содержании химических элементов в звездах гало нашей Галактики и эллиптических галактик. Во вращающейся галактике звезды будущего гало образуются на более ранней стадии сжатия, когда вращение еще не повлияло на общую форму галактики. Свидетельствами этой эпохи в нашей Галактике являются шаровые звездные скопления.
Когда прекращается сжатие протогалактики, кинетическая энергия образовавшихся звезд диска равна энергии коллективного гравитационного взаимодействия. В это время, создаются условия для образования спиральной структуры, а рождение звезд происходит уже в спиральных ветвях, в которых газ достаточно плотный. Это звезды третьего поколения. К ним относится наше Солнце.
Запасы межзвездного газа постепенно истощаются, рождение звезд становится менее интенсивным. Через несколько миллиардов лет, когда будут исчерпаны все запасы газа, спиральная галактика превратится в линзообразную, состоящую из слабых красных звезд. Эллиптические галактики уже находятся на этой стадии: весь газ в них израсходован 10-15 млрд. лет назад.
Возраст галактик равен примерно возрасту Вселенной. Одним из секретов астрономии остаётся вопрос о том, что из себя представляют ядра галактик. Очень важным открытием явилось то, что некоторые ядра галактик активны. Это открытие было неожиданным. Раньше считалось, что ядро галактики – это не больше чем скопление сотен миллионов звёзд. Оказалось, что и оптическое и радиоизлучение некоторых галактических ядер может меняться за несколько месяцев. Это означает, что в течение короткого времени из ядер освобождается огромное количество энергии, в сотни раз превышающее то, которое освобождается при вспышке сверхновой. Такие ядра получили название «активных», а процессы, происходящие в них, «активность».
В 1963 году были обнаружены объекты нового типа, находящиеся за приделами нашей галактики. Эти объекты имеют звездообразный вид. Со временем выяснили, что их светимость во много десятков раз превосходит светимость галактик! Самое удивительное то, что их яркость меняется. Мощность их излучения в тысячи раз превосходит мощность излучения активных ядер. Эти объекты назвали квазарами. Сейчас считается, что ядра некоторых галактик представляют собой квазары.
Автор статьи: Михаил Карневский, 15.01.2013
Обновлено: Татьяна Сидорова, 14.02.2018
Перепечатка без активной ссылки запрещена!
Галактики — звёздные города
Острова во Вселенском Океане
Галактики представляют собой, судя по всему, самые крупномасштабные целостные структуры Вселенной, из известных ученым. Конечно, есть еще скопления галактик, сверхскопления… но эти структуры открытые, не целостные и малоизученные. Но давайте обо всем по порядку. Начнем с самого малого.
В античной Греции (около 2500 лет назад) зародилось представление о том, что все вещества и предметы состоят из мельчайших и неделимых частиц, которые изначально определяют свойства того или иного вещества. Их назвали “атомы”.
Сейчас науке известно, что атомы вполне делимы, и сами в свою очередь состоят из элементарных частиц — протонов, нейтронов, электронов. Там же где-то формально или физически присутствуют позитроны — антиподы электронов, превращающие нейтральный нейтрон в положительно заряженный протон. Если говорить упрощенно, то комбинации этих частиц и дает нам все многообразие веществ во Вселенной. Но каждая из них так же состоит из еще более мелких конструкций, определяющих их суть — из кварков. Насколько глубок колодец микромира, науке неизвестно, но уже сейчас достаточно оснований считать, что и кварки, в свою очередь, тоже из чего-то состоят.
Теперь двинемся в противоположном направлении по оси усложнения вселенских структурных элементов.
Атомы соединяются в молекулы. Фактически, молекула и есть — та минимальная единица любого химического соединения — вещества — во Вселенной. Молекулы определяют физические и химические свойства веществ, а не атомы, как это предполагали некоторые греческие философы. Но ошиблись они не сильно.
Молекулы иногда тождественны с атомами. Например молекулы металлов состоят всего из одного атома. Но атомы в металлах соединяются в некотором порядке, образуя протяженные кристаллические решетки. Это роднит их с кристаллами солей, где свойства и структура вещества зависят от геометрии соединения атомов или молекул между собой. Кристалл представляет собой еще более крупную структуру нашего мира.
Дальше, как ни странно, идут живые организмы. В этой цепочке я бы выделил три основных звена:
Каждая из этих структур обладает своей ясной внутренней организованностью и целостностью, нарушение которой приводит к необратимому разрушению структуры.
Далее идут планеты — во всем своем многообразии — это могут быть газовые гиганты типа Юпитера и Сатурна, каменные планеты земного типа, но к ним же я причисляю и астероиды, ядра комет, метеороиды. Их объединяет механическая целостность, обусловленная гравитационной связанностью всех входящих в их состав веществ в виде более мелких структур — молекул и кристаллов. Более крупные структуры планетарного семейства под действием гравитационных сил обретают форму близкую к сферической. Мелкие остаются неправильными по форме. И еще им свойственна пространственная отделенность от других подобных космических тел — их разделяют порой миллионы километров вселенского вакуума. При этом существовать представители этого структурного семейства могут как в сообществах себе подобных тел — в планетных системах — под доминирующим влиянием звезд, так и сами по себе — отдельно — в тотальном космическом одиночестве.
Звезды — это еще более крупные вселенские структуры. Они образуются из коллапсирующих (сжимающихся под действием гравитации) облаков водорода. Сами облака водорода — первородного вещества нашей Вселенной — можно было бы причислить к субструктурам — они не целостны, не едины, не устойчивы, но стремясь ко всем этим перечисленным недостающим качествам превращаются в звезды. При достижении некоторой массы и давления в уплотненном центре коллапсирующей туманности, новое образование вспыхивает звездой — в её недрах запускаются термоядерные реакции. В ходе этих реакций происходит превращение водорода в гелий — по сути удивительная трансформация одного структурного элемента — атома водорода, в другой структурный элемент — в атом гелия. И тут мы сталкиваемся с еще одной важной составляющей нашего мира — с излучением, которое пронизывает все пространство Вселенной, и призвано переносить по нему энергию, освобождающуюся в том числе и в процессе термоядерных реакций. Превращение водорода гелий происходит с выделением значительного количества энергии, которая покидает центр звезды с излучением. В противном случае температура в центре звезды продолжала бы расти и рано или поздно звезда бы вышла из равновесного состояния. Кстати, такое случается.
Звезды могут объединяться в более крупные структурные единицы. Можно выделить несколько разновидностей таких структур:
Только шаровые звездные скопления можно считать устойчивыми структурами, способными существовать миллиарды лет — то есть — период времени одного порядка с продолжительностью жизни входящих в их состав более мелких структурных единиц — звезд. Рассеянные скопления довольны быстро распадаются, а системы двойных и кратных звезд очень многообразны и сказать что-то конкретное об этом классе в двух словах невозможно. Вряд ли это вообще имеет смысл считать неким единым классом.
И вот мы добрались до галактик.
Подобно тому, как люди живут в городах, звезды группируются в сообщества многомиллиардной численностью. Еще можно уподобить эти сообщества островам в океане, между которыми простирается непреодолимость океанических вод, и один остров с другого острова практически не виден.
Звезды не распространены по Вселенной равномерно. Подобно тому, как планеты и звезды разделены бездной космического вакуума, так и сообщества звезд — галактики — разделены еще более протяженными пустотами. Но к пониманию этого люди пришли относительно недавно.
Само слово “Галактика” происходит от греческого “Молочный” — “Γαλακτικός” — “Галактикос”. Так греки описывали широкое сияние протянувшееся через весь небосвод — “Млечный путь”, а по одному из греческих мифов это сияние представляло собой пролитое Герой (супругой Зевса) молоко, когда богиня кормила своего приемного сына — Геракла.
Около 400 лет назад Галилео Галилей навел на Млечный путь свой первый телескоп и обнаружил, что это сияние — ни что иное, как неисчислимое множество слабых звезд, сливающихся для глаза воедино. Почему звезды сложились в этот кольцеобразный “круг почета” опоясывающий земной небосвод — это не было понятно еще долгие 300 лет, пока Эдвин Хаббл не разделил на отдельные звезды спиральные рукава туманности Андромеды.
До открытия Эдвина Хаббла считалось, что все эти “завитушки” спиральной структуры являются объектами нашего звездного мира, который где-то наверняка кончается, но где? и что там дальше? — это науке не было известно.
Когда среди звезд в туманности Андромеды обнаружились переменные звезды — Цефеиды, стало возможным определение расстояния до них. Оно оказалось огромным — порядка двух миллионов световых лет. С такими дистанциями астрономы не имели дела. В ходу были световые годы, десятки, сотни — максимум — тысячи. И вдруг такой качественный скачок.
Выяснилось, что на протяжении этих миллионов световых лет, разделяющих наш звездный остров, и подобные туманности Андромеды спиралевидные образования, нет ничего — пустота, вселенский вакуум. А все звезды, видимые с Земли, живут исключительно в этих звездных островах.
Более современные телескопы показали, что количество спиралевидных звездных островов огромно — Млечный путь не содержит столько звезд, а сама форма Млечного пути, если было бы возможным взглянуть на него со стороны, оказалась подобна Туманности Андромеды или Туманности Треугольника. И это было важнейшим открытием: Мы живем в одном из звездных водоворотов, коих на небе сотни миллиардов. А в каждом из них сотни миллиардов звезд.
Все эти многочисленные звездные города были причислены к новому классу вновь определенного типа структур — к галактикам. Причем, если имеется в виду наша Галактика — Млечный путь, то она всегда упоминается на письме с использованием заглавной буквы. Остальные галактики упоминаются с использованием строчных букв.
Иллюстрация расположения Солнечной системы внутри Галактики «Млечный путь»
Оказалось, что формы и разнообразие галактик очень различны. Спиральных — большинство. Но и среди них есть множество разновидностей — с баром-перемычкой и без, с двумя спиральными ветвями и большим количеством. Нашлась даже галактика-кольцо, центр которой никак не соединен с периферией звездными путями.
Очень многочисленным классом оказались эллиптические галактики, которые напоминают шаровые скопления звезд, только в миллионы раз более масштабные. И фактически центральные части спиральных галактик подобны эллиптическим. Возможно, эллиптические галактики утратили свои спиральные ветви или ассимилировали их в ядро.
Но еще более интересными оказались галактики неправильной формы. Их происхождение оставляет широчайшее поле для гипотез. Вариантов множество. Одним из наиболее популярных объяснений является слияние галактик. Оказывается, что невзирая на миллионы световых лет межгалактического вакуума, галактики все-таки встречаются друг с другом и сливаются в нечто более крупное. При этом их формы сильно искажаются — спиральные ветви разрушаются, приливные силы активируют звездообразование, в ходе которого “вспыхивают” миллиарды новорожденных звезд, какая-то часть звезд выбрасывается за пределы этих “звездных городов”.
Впервые изучать сливающиеся галактики начал советский астроном Борис Александрович Воронцов-Вельяминов, положив начало галактической морфологии и классификации взаимодействующих галактик. А до него считалось, что близость изображений двух и более галактик на фотопластинках — чисто иллюзорное совпадение направлений, в которых на самом деле галактики расположены на очень разных расстояниях от нас, и — на почтительных расстояниях между собой.
Борис Александрович Воронцов-Вельяминов (14 февраля 1904 — 27 января 1994) — советский астроном, член-корреспондент Академии педагогических наук СССР
Нашлось немало примеров того, что большинство галактик, как и большинство звезд, живут в небольших группах и даже имеют спутники — карликовые галактики. Есть спутники у Галактики Млечный Путь, и у Туманности Андромеды.
Карликовая галактика «Большое Магелланово Облако» — спутник Галактики «Млечный путь»
Более крупномасштабный взгляд на мир галактик выявил скопления галактик численностью в тысячи и миллионы звездных островов. Такие скопления расположены в направлении созвездий Волосы Вероники, Девы и Льва. Но это — самые близкие из скоплений. А если попытаться проникнуть взглядом сквозь мерцание звезд нашей Галактики, мы увидим, что скопления галактики окружают нас повсюду.
Сверхскопление галактик в созвездии Геркулеса
С помощью телескопа имени Хаббла было найдено несколько брешей среди звезд нашей Галактики. На полученных снимках видно, что галактики окружают нас буквально плотной стеной… нет, конечно — между ними довольно пустоты, как всюду во Вселенной, но создается иллюзия, что они буквально накладываются друг на друга.
В этой иллюзорной галактической сфере есть своя структуризация — галактики, объединенные в сверхскопления, образуют нити, волокна, которые протягиваются, соединяясь с подобными себе метагалактическими нитями, и рисуют на самом крупномасштабном полотне Вселенной подобие пчелиных сот.
Это уже с большим трудом укладывается в сознании даже самых продвинутых ученых. И описать на уровне законов нашего мира причины образования такой удивительно структуризации астрофизикам пока не удалось. Мы даже не представляем, что является следующей структурной единицей в нашем Мире после галактик. И это еще предстоит нам познать.
Столкновение двух галактик спирального типа, с превращением в одну «неправильную»
PS: Толчком к написанию статьи стала музыка, представленная в самом начале этой публикации. Однажды ночью я сел за инструмент и погрузился в импровизацию — без малого на полчаса. Я записал это. Позже решил сделать видеосопровождение к музыке. Осознал, что здесь должны быть представители мира галактик — во всем своем многообразии. В процессе видеомонтажа я понял, что готов написать несложную статью об этом.
Кстати, музыку можно скачать с моего сайта: Студийная сессия «Ночные импровизации»
Надеюсь, что эта статья откроет собой целый цикл публикаций, посвященных многообразию галактик, о которых говорить можно бесконечно долго. Следите за моими новостями, Друзья.
Наша галактика. Другие галактики. Пространственные масштабы наблюдаемой Вселенной.
Наша галактика. Другие галактики. Пространственные масштабы наблюдаемой Вселенной.
Данная статья написана для подготовки к ЕГЭ по физике, в статье разобраны темы галактик и масштабов Вселенной. Такие задания могут встречаться в вариантах КИМов ЕГЭ по физике базового уровня, итак, перейдём подробнее к рассмотрению данной темы.
Понятие галактики
Галактикой являются большие скопления звёзд, пыли, а также газа. Они находятся друг с другом в соответствии с гравитационными силами. Галактики различают по формам и размеру. В состав галактик входят следующие объекты:
Солнце территориально принадлежит звёздам, находящимся в галактике Млечный путь. Если ночью наблюдать за небом, можно заметить длинную полосу звёзд. Их скопление и назвали галактикой.
При просмотре с применением астрономических инструментов можно рассмотреть овальный шар, он располагает более ста пятидесяти миллиардов звёзд. Наша галактика немыслимого размера, её центром является ядро с большими спиралями, в которых расположены звёзды. Расстояние между ядром Галактики и Солнцем – тридцать тысяч световых лет. Солнечная система располагается по краю с Млечным путём.
Следует учитывать, что звёзды, находящиеся в Галактике попадаются крайне редко. Например, расстояние, находящееся между звёздами в несколько миллионов больше их диаметров. Неверно думать, что звёзды находятся в хаотичном порядке. Расположение звёзд напрямую связано с гравитационными силами. Благодаря им звёзды расположены в определённом месте. Галактиками считаю звёзды и поля гравитации. Также в составе галактике содержатся пыль и газ.
Состав галактики
Рассмотрим конкретный состав галактики:
— Тёмная материя составляет двадцать два процента;
— Тёмная энергия – семьдесят четыре процента;
— Газ составляет три целых шесть десятых процентов;
— Звёзды и прочие объекты занимают лишь нуль целых четыре десятых процента галактики.
Темы, касающиеся галактик, часто встречаются в КИМах ЕГЭ по физике, поэтому рассмотрим её более подробно.
Во Вселенной находятся множество других галактик. Самыми близкими по отношению к нам считают галактики, расположенные в ста пятидесяти тысяч световых лет. На небе их можно увидеть в южном полушарии, они представляют собой небольшие туманные пятна. Их описал Пигафетт во время Магеллановой экспедиции. После это им присвоили название Больших и Малых облаков.
Классификация галактик
Ближайшей галактикой является Туманность Андромеды, её можно разглядеть в бинокль, так как она сравнительно больших размеров. В хорошую погоду можно увидеть даже без бинокля. Галактика похожа на выпуклую спираль. Солнечная система расположена на одном из её рукавов. Всем объектам галактик свойственно кружиться вокруг ядра, называемого центральным в соответствии с силами гравитации. В 1962 году Эдвин Хоббл классифицировал галактики в соответствии с их формой. Он разделил их на:
— Галактики, содержащие перемычку.
Итак, перейдём к рассмотрению спиральных галактик. Они являются галактиками с формой, которая напоминает диск с расположенным в центре ядром. Млечный путь является спиралевидной галактикой. Такие галактики обозначают буквой S, а также другими дополнительными буквами (это могут быть a, b, c). В таких измерениях галактики являются сплющенными и представляют собой линзу. Некоторые спиральные галактики содержат перемычку, она проходит через область, расположенную внутри галактики.
При составлении карты неба астрономы обнаружили большое количество близко расположенных галактик. В большинстве случаев путь галактик проходит через центр другой галактики, за счёт чего газ и облака звёзд поднимаются вверх. Таким образом, они ярко светят, так как в облаках их газа появляются новые звёзды. Эти звёзды находятся в саже, некоторые светят красным цветом, так из-за пыли закат становится более красным.
Интересным зрелищем является слияние галактик. Но несмотря на это, их строение является не до конца изученным. Астрономы рассматривают немногие галактики, находящиеся в промежуточных состояниях. Галактика содержит в себе триллионы звёзд. Эллиптические галактики включают в себя преимущественно старые звёзды. Они располагаются на наклонённых орбитах. При этом, диски спиральных галактик содержат голубые звёзды. Они находятся в спиральных рукавах. Когда рукав проходит газовые облака, начинают формироваться звёзды. В спиральных дисках содержится большое количество газа, в основном это водород. Мало газа содержат эллиптические галактики. Из-за этого в них образуется малое число новых звёзд. Также в дисках нашли материю, являющуюся тёмной. Края спиралей выполняют движение с большой скоростью, из этого следует, что существует определённая форма материи. Она представляет собой экзотические единицы, их очень трудно заметить.
Гало галактикой называют образования, расположенные вокруг галактики.
Основные типы галактик существуют во Вселенной. В 1995 году с помощью телескопа, называемого Хабблом, смотрели за полосой на небе. Наблюдения длились десять дней. С помощью него выявили более далекие галактики. Оба типа галактик и спиралевидные и эллиптические были сформированы много лет назад. Считается, что неправильные и маленькие голубые галактики составляют наибольшее число по сравнению с другими галактиками. Известно, что несколько миллиардов лет назад формирование звёзд происходило в десять раз быстрее, чем сейчас.
При группировании галактики образуют скопление. Наибольшие объекты во Вселенной соединяются воедино с помощью силы тяготения. Такие скопления включают в себя темную материю и горячий газ, которые, в свою очередь, разбрасываются между скоплениями.
Силы тяготения удерживают скопления галактик. Например, звёздам свойственно двигаться по орбитам галактик, а галактикам – по траекториям вокруг скопления.
Горячий газ является межкластерным носителем информации. Практически таким же образом тёмная материя собирается в колодце из скоплений. Скопления представляют в виде свалок в Космосе, так как в них попадаются другие объекты Вселенной.
Рассмотрим галактики неправильного вида. Они делятся на два класса: IO и Im. Большее распространение имеют галактики второго класса. Первый класс представляет собой галактики различной формы.
Следует запомнить, что галактики относятся к определённым группам, которые в свою очередь имеют название кластеров. Например, млечный быть относится к группе кластеров, он содержит в себе примерно сорок галактик, которые уже разведали. В процессе группировки подобные кластеры составляют сверхскопления. В состав кластеров входит более двух тысяч галактик. После обрисовки примерной карты, отображающей размещение галактик, скопления стали определённых форм. Большое количество скоплений окружают пустоты. Неизвестно что находится в центре данных пустот. Для раскрытия этого учёным понадобится большое количество времени.
Таким образом, в разделе астрофизики ЕГЭ по физике тема галактик является одной из часто встречающихся. При подготовке к ЕГЭ по физике рекомендует также изучить справочный материал, так как он поможет более углублённо изучить раздел астрофизики.