§ 80. Млечный Путь и строение Галактики

Уже неискушенный наблюдатель видит, что Млечный Путь охватывает все небо широкой полосой, проходящей почти по большому кругу небесной сферы. Самая богатая звездами и звездными облаками часть Млечного Пути для нас, обитателей северного полушария Земли, не видна, так как расположена в южном полушарии. Плоскость симметрии Млечного Пути называется плоскостью галактического экватора, или галактической плоскостью.

Млечный Путь состоит из звездных облаков, расположенных вдоль его экватора. Наиболее яркие и богатые звездами облака видны летом в южной части неба в созвездиях Стрельца и Щита. Несколько «бледнее» звездные облака в созвездиях Лебедя, Кассиопеи, Персея, Возничего и Близнецов. Последние созвездия, как мы знаем, наблюдаются поздней осенью и зимой. В созвездии Единорога Млечный Путь переходит в южное полушарие неба. Существуют две точки на небе, где перпендикуляр, восстановленный к плоскости галактического экватора, пересекает небесную сферу. Это северный и южный галактические полюсы. Северный галактический полюс находится в созвездии Волос Вероники, а южный - в созвездии Скульптора.

Вблизи галактического экватора располагаются поглощающие свет массы темного, холодного вещества - галактический субстрат. Мы его отчетливо видим в созвездиях Орла, Щита и Змееносца. Здесь Млечный Путь разделяется на две части темным пространством. Обратита на это внимание при летних наблюдениях звездного неба.

Около 70 лет назад X. Шепли исследовал систему входящих в Галактику шаровых звездных скоплений. Определив расстояния до каждого из них, он построил трехмерный макет системы шаровых скоплений и обнаружил, что она располагается «сферической короной» вокруг точки, находящейся в направлении созвездия Стрельца и удаленной от Солнца примерно на 30 тысяч световых лет. Здесь можно было искать центр или ядро Галактики.

Почему же мы не видим это ядро? Вспомним о существовании поглощающего галактического субстрата, столь мощного именно в том направлении. Только в 1946 г. советские исследователи В. Б. Никонов, А. А. Калиняк и В. И. Красовский, использовав большую прозрачность галактического субстрата к инфракрасным лучам и применив электронную технику, получили снимок ядра Галактики. Оно имеет овальную форму с полуосями 1100 пс на 500 пс и удалено от Земли на 25 - 27 тысяч световых лет. Позднее в центре ядра Галактики был найден мощный источник радиоизлучения. Из центра Галактики вытекают потоки газов со скоростью около 50 км/сек.

Если рассматривать Галактику «с ребра», то она напоминает две глубокие тарелки, сложенные краями (рис. 159). Солнце расположено несколько севернее плоскости симметрии Галактики. Диаметр Галактики - около 100 тыс. световых лет или около 30 000 пс. Если же посмотреть на Галактику «сверху», то она напоминает спиральную систему с несколькими «рукавами».

Многолетние исследования звездных движений привели к открытию предсказанного еще в прошлом столетии русским астрономом М. А. Ковальским вращения Галактики вокруг ее ядра. Голландский астроном Я. Оорт не только обнаружил это вращение, но и показал, что оно может быть использовано для разносторонних исследований межзвездного пространства.

Вращение Галактики подчиняется довольно сложному закону. Если бы звезды были равномерно распределены внутри пространства, занимаемого Галактикой, то она должна была бы вращаться как твердое тело. Если бы подавляющая масса Галактики была сосредоточена в ее ядре, то движение звезд вокруг ядра было бы близко к кеплеровскому. Однако ни того, ни другого не происходит: Галактика вращается вокруг ядра по промежуточному закону, более близкому к кеплеровскому, чем к закону вращения твердого тела.

Надежно установлено, что Солнце движется вокруг ядра Галактики со скоростью около 230 км/сек и совершает полный обход по галактической орбите примерно за 180 миллионов лет! В своем орбитальном движении оно перемещается в направлении созвездия Лебедя. По отношению же к окрестным звездам движение Солнца направлено к созвездию Геркулеса, и его скорость близка к 20 км/сек. Зная скорость и расстояние Солнца от ядра Галактики, можно приближенно оценить ее массу. Оказалось, что общая масса Галактики порядка 2 х 10¹¹ масс Солнца!

Кроме звезд и темного диффузного вещества, в Галактике содержатся разреженные облака газа. Водородные облака можно обнаружить и исследовать двумя способами. Один из них, оптический, успешно применялся академиком Г. А. Шайном и В. Ф. Газе. Они производили снимки неба через светофильтр, пропускающий очень узкий участок спектра с длинами волн, примерно равными длине волны водородной спектральной линии На. На таких почти монохроматических снимках получались изображения облаков межзвездного водорода. В подробном атласе распределения межзвездного водорода хорошо видны длинные струи, вытянутые почти параллельно галактическому экватору. Второй способ изучения распределения межзвездного водорода - радиоастрономический,

Изучению вращения и строения Галактики большую помощь оказали радиоастрономические наблюдения. Остановимся на этом подробнее. В общем радиоизлучении Галактики особо выделяется одна спектральная радиолиния с длиной волны 21 см, которую испускают атомы водорода (см. § 33).

Сделаем ряд крайних допущений. Предположим, что на длину волны этой линии влияет только вращение Галактики. На самом деле, конечно, это не так, потому что существуют еще и тепловые «микроскопические» и Кассовые «макроскопические» движения водородных облаков; для простоты картины мы ими пренебрежем. Допустим также, что водородные облака расположены в экваториальной плоскости Галактики и что скорости их движения вокруг ядра Галактики перпендикулярны к радиусам, соединяющим облака с ядром. Далее примем, что скорость движения является функцией расстояния облака от ядра. Для определенности допустим, что скорость возрастает по мере приближения к ядру, как этого требует кеплерово движение.

На рисунке 160 буквой N обозначено ядро Галактики, буквой S - Солнце. Выберем два водородных облака А и В. На этом рисунке соответствующими стрелками изображены скорости орбитального движения Солнца vs и облаков va и vb. При этом принято, что υ_S меньше, чем υ_A a υ_A меньше, чем υ_B. Спроектируем все три скорости на луч зрения SB. Мы найдем три отрезка, ω_S, ω_A и ω_B, которые изображают лучевые скорости, если составить разности ω_A - ω_S и ωB - ωS. Мы видим, что эти разности положительны, так что облака будут удаляться от Солнца, причем скорость будет тем большей, чем дальше облако от нас. Если сделать такое же построение для луча SD, то можно убедиться, что облака С и D будут приближаться к Солнцу. Эффект Доплера сместит монохроматические радиолинии и это смещение будет зависеть от угла, составляемого лучом зрения с направлением SN, соединяющим Солнце с ядром Галактики, т. е. от разности галактических долгот (см. § 20).

Если облака дискретны и пространство, отделяющее А от В, не содержит атомов водорода, то радиолиния раздвоится. Если же водород распределен вдоль луча зрения, то линия будет не монохроматической, а расширится и будет изображаться некоторым профилем, который можно теоретически рассчитать. Таким образом, изучая ширину этой спектральной радиолинии, можно построить модель распределения водорода в Галактике; ведь для радиоволн космическая пыль прозрачна и мы можем «видеть» далекие объекты без помех. Правда, области, расположенные на луче зрения SN, не дадут никакой информации, так как в точках этого луча лучевые скорости равны нулю, ибо орбитальные скорости перпендикулярны к лучу зрения.

Обстоятельные исследования радиолинии водорода позволили нарисовать общую картину распределения водородных облаков в Галактике, которая изображена на рис. 161. Добавим к этому, что была найдена ветвь и на луче зрения SN, так как эта ветвь газа истекает из ядра радиально.

Рис. 161. Распределение водородных облаков в плоскости Галактики. В точке С расположено ядро Галактики. Степень почернения характеризует плотность облака

Рисунок 161 довольно сложен, поэтому из него выделено главное, и на рис. 162 изображена схема строения ближайших к нам водородных облаков Галактики. Из нее мы видим, что в направлении центра Галактики мы наблюдаем облака, принадлежащие ближайшему, внутреннему «рукаву Стрельца». Ближайший же внешний рукав - это имеющий ширину около 500 пс «рукав Ориона». Сквозь этот рукав просматривается удаленный на 3000 пс «рукав Персея». На схеме также показан внутренний расширяющийся рукав, обозначенный стрелками.

Кроме водородного линейчатого излучения, диффузная материя испускает и иные виды радиоволн. Интересующихся результатами радиоастрономических исследований Галактики отсылаем к книге С. А. Каплана «Элементарная радиоастрономия».

Теперь вернемся к описанию результатов оптических исследований Галактики. Мы видели, что Галактика - это уплощенная звездная система, которая охвачена почти сферической подсистемой, состоящей и шаровых звездных скоплений. Были определены лучевые скорости этих объектов, и оказалось, что они во вращательном движении Галактики не участвуют. Это, конечно, не означает, что шаровые скопления вообще неподвижны. Каждое из них движется под влиянием притяжения ядра Галактики. Однако их галактические орбиты имеют совсем иную форму, далекую от круговой.

Этот факт заставил предположить, что Галактика - очень сложная звездная система, состоящая из различных взаимопроникающих подсистем. Впоследствии стали выделять подсистемы по какому-либо признаку, единому для всех входящих в нее объектов. Так, например, можно рассматривать подсистему всех затменных переменных звезд, подсистему кратных звезд и т. п.

Установлено, что в Галактике существуют три главные составляющие, отличающиеся распределением в пространстве и скоростями движения входящих в них объектов.

Плоская составляющая содержит так называемое «население первого типа»; принадлежащие этой составляющей объекты сконцентрированы вблизи плоскости Галактики и имеют небольшие (по абсолютной величине) галактические широты. В эту составляющую входят подсистемы долгопериодических цефеид, звезды спектрального класса В, звезды спектрального класса О, некоторое число звезд типа RR Лиры (см. главу VIII), рассеянные звездные скопления и ассоциации, а также темные туманности. Пожалуй, самым характерным для этих объектов является «спокойный» характер их собственных пространственных скоростей. Они как бы единым фронтом движутся вокруг ядра Галактики. Если вычесть из их собственных скоростей «регулярную» вращательную скорость, то остатки будут иметь малую величину. Большинство звезд плоской составляющей считаются молодыми, недавно образовавшимися, располагающимися в спиральных рукавах Галактики.

Рис. 162. Схема распределения водородных облаков, составленная на основании рис. 161

Вторая, «крайняя» составляющая называется сферической ввиду того, что входящие в нее объекты имеют любые галактические широты (см. § 20). Часто говорят, что она содержит звезды второго типа «звездного населения». Если подсчитать плотность пространственного распределения этих объектов, то она будет увеличиваться но направлению к ядру Галактики. Главная же характеристика объектов, входящих в сферическую составляющую,- это большие остаточные скорости их движения, направленные совершенно хаотически. В сферическую составляющую входят подсистемы субкарликов, большинство звезд типа RR Лиры, долгопериодические переменные с периодами от 150 до 200 суток и цефеиды типа W Девы. К ней можно также отнести и шаровые звездные скопления.

Отличаются эти объекты от звезд первого типа населения еще и значительной обогащенностью их атмосфер водородом и нехваткой металлов. Считается, что эти объекты предельно старые, что они образовались гораздо раньше объектов, входящих в плоскую составляющую.

Выделена также и третья, промежуточная составляющая, содержащая ряд классов переменных звезд, белые карлики и планетарные туманности.

Числовые данные о составляющих и подсистемах приведены в «Справочнике любителя астрономии» П. Г. Куликовского, на стр. 172-173 четвертого издания («Наука», 1971).

Наглядное представление о виде Галактики извне, с огромного расстояния, можно составить по рис. 163, на котором воспроизведена фотография галактики М 31 - туманности Андромеды. Эта звездная система чрезвычайно похожа на нашу Галактику.