29. Другие звездные системы - Галактики

1. Основные характеристики галактик

В. Гершель в XVIII в. открыл и занес в каталоги тысячи наблюдаемых на небе туманных пятен (туманностей). У многих из них впоследствии была обнаружена спиральная структура.

Американский астроном Э. Хаббл (1889-1953) получил фотографии туманности в созвездии Андромеды, на которых было видно, что это туманное пятно состоит из множества звезд (рис. 93). Он обнаружил среди них рассеянные и шаровые скопления, новые звезды и цефеиды. Определив периоды переменности и видимую звездную величину этих цефеид, Хаббл установил, что все они находятся очень далеко за пределами нашей Галактики.

Рис. 93. Спиральная галактика М 31 в созвездии Андромеды и ее спутник - малая эллиптическая галактика (справа)

Зная расстояние до этой туманности и ее угловые размеры, легко вычислить ее диаметр в линейных единицах (см. § 12.4, рис. 34).

Оказалось, что спиральная туманность в созвездии Андромеды - огромная Звездная система, примерно такая же, как и наша Галактика. Мы знаем теперь, что расстояние до нее 2 млн. световых лет. В ней есть газопылевые туманности, как и в нашей Галактике. Вследствие того что галактика в созвездии Андромеды повернута под большим углом к лучу зрения, она имеет продолговатую форму. Галактика в созвездии Треугольника тоже спиральная, менее наклонена к лучу зрения и имеет поэтому иной вид (рис. 94).

Рис. 94. Спиральная галактика М 33 туманность в созвездии Треугольника, видимая почти плашмя. Ее ярчайшие звезды в спиральных ветвях расположены менее тесно, чем в М 31, и поэтому заметнее

Астрономы нашли множество гигантских звездных систем за пределами нашей Галактики, им дали нарицательное название галактик в отличие от нашей Галактики.

Хаббл выяснил, что в спектрах галактик, расстояния до которых были оценены по видимой яркости их ярчайших звезд, линии смещены к красному концу спектра. Это красное смещение возрастает пропорционально расстоянию до галактики (рис. 95). В соответствии с эффектом Доплера (см. § 14.3) красное смещение означает удаление источника от наблюдателя. Скорость удаления пропорциональна смещению и, следовательно, расстоянию. Наблюдаемая пропорциональность между расстоянием до галактик и скоростью носит название закона Хабблa: v = HD. Коэффициент пропорциональности Н называют постоянной Хаббла. Установлено, что величина постоянной Хаббла^* Н составляет примерно т. е. на каждый миллион парсек скорость удаления возрастает на 100 км/с. Поэтому расстояние до далекой галактики можно определить по величине красного смещения линий в ее спектре:

где v - скорость, определенная по красному смещению. Если, например, сдвиг линии спектра соответствует 10 000 км/с, то до галактики 100 Мпк. Этот способ используется в тех случаях, когда в далеких галактиках цефеиды или даже ярчайшие сверхгиганты не видны.

^* (Значение этой величины все уточняется. )

Рис. 95. Красное смещение в спектрах галактик возрастает с расстоянием до них (на фотографии спектра заметнее всего две главные линии поглощения ионизованного кальция). Ширина спектра зависит от видимого размера и яркости галактики. Яркие линии - спектр земного источника света

Рис. 96. Спиральная галактика, видимая с ребра, с темными пылевыми туманностями, скрывающими от нас ее ядро

По своему внешнему виду галактики делятся на спиральные, неправильные и эллиптические. Большинство наблюдаемых галактик спиральные. Наша Галактика и галактика в созвездии Андромеды относятся к числу спиральных галактик очень,большого размера. Все спиральные галактики вращаются с периодами в несколько сот миллионов лет. Массы их составляют 10¹⁰-10¹¹ масс Солнца.

Ветви спиральных галактик, как и у нашей Галактики, состоят из горячих звезд, цефеид, сверхгигантов, рассеянных звездных скоплений и газовых туманностей. Галактики излучают радиоволны. Радиоизлучение исходит от нейтрального водорода на длине волны 21 см, а также от ионизованного горячего водорода в светлых туманностях. Нейтрального водорода в них содержится до 10% от массы галактики. Есть в галактиках и пыль. Ее присутствие особенно хорошо заметно в тех из них, которые повернуты к нам ребром, поэтому похожи на веретено или чечевицу (рис. 96). Вдоль галактической плоскости у них проходит темная полоса - скопление пылевых туманностей.

Во время экспедиции Магеллана в XVI в. наблюдаемые в южном полушарии неба два больших звездных облака назвали Большим и Малым Магеллановыми Облаками (рис. 97). Эти галактики по их бесформенному виду относят к типу неправильных. Они являются спутниками нашей Галактики. Расстояние до них около 150 000 световых лет. Их звездный состав такой же, как и у ветвей спиральных галактик, а ядра нет. Неправильные галактики (рис. 98, а) значительно меньше спиральных и встречаются редко.

Рис. 97. Большое Магелланово Облако - ближайшая к нам галактика. Относится к типу неправильных галактик

Рис. 98. Основные типы галактик (масштабы фотографий различны): а - неправильная; б - эллиптическая; в - спиральная

Эллиптические галактики наблюдаются часто. По виду они похожи на шаровые звездные скопления (рис. 98, б), но гораздо больше их по размерам. Они вращаются крайне медленно и потому слабо сплюснуты в отличие от быстро вращающихся спиральных галактик (рис. 98, в). Эллиптические галактики не содержат ни звезд-сверхгигантов, ни диффузных туманностей.

Разнообразны светимости галактик.

У гигантских галактик абсолютная звездная величина около - 21. Существуют галактики-карлики, в тысячи раз более слабые, с абсолютной звездной величиной около - 13.

Академик В. А. Амбарцумян первым показал, что в центральных областях многих спиральных и эллиптических галактик - в их ядрах - происходят взрывоподобные явления, сопровождающиеся выделением очень большого количества энергии.

Мощное рентгеновское излучение некоторых галактических ядер - важное свидетельство их высокой активности. В. А. Амбарцумян также высказал предположение, что галактики образовались из какого-то сверхплотного "дозвездного вещества". По его мысли, оно обладает способностью самопроизвольно дробиться и образует галактики. Ядра их путем дальнейшего дробления порождают ассоциации "дозвездных" тел, а те, дробясь, порождают и звезды, и диффузную материю. Галактики с активными ядрами, с которыми связано мощное радиоизлучение и из которых происходит выброс больших масс газа, в рамках этого предположения считаются молодыми.

Большинство ученых придерживаются более подробно разработанной гипотезы о том, что звезды и галактики возникали из водородно-гелиевой среды путем ее распада на отдельные облака. За этим следовало сжатие этих облаков вследствие тяготения. Процесс образования звезд в шаровых скоплениях и эллиптических галактиках давно закончился. Их звезды являются самыми старыми. В спиральных и неправильных галактиках звездообразование продолжается.

Пример решения задачи

3адача. В галактике, у которой красное смещение линий в спектре 2000 км/с, вспыхнула сверхновая звезда. Ее яркость в максимуме соответствовала 18-й видимой звездной величине. Каковы ее абсолютная звездная величина и светимость?

Упражнение 26

1. Линии спектра далекой галактики оказались сдвинуты на величину, соответствующую скорости удаления от нас в 15 000 км/с. Каково расстояние до нее? Каков ее размер, если она видна как пятнышко 20" в диаметре?

2. Каково расстояние до галактики и с какой скоростью она от нас удаляется, если в ней обнаружена новая звезда, видимая звездная величина которой +18, а абсолютная звездная величина равна -7?

Задание 14

1. По фотографии (рис. 93) оцените угол наклона спиральной галактики к лучу зрения.

2. На каком расстоянии (в парсеках) от центра галактики (рис. 79) находится в проекции на небо сверхновая звезда, если красное смещение в их спектрах 10 000 км/с, а видимый диаметр галактики 2'?

2. Радиогалактики и квазары

Некоторые галактики выделяются среди других особенно мощным синхротронным радиоизлучением, которое возникает при взаимодействии очень быстрых электронов с магнитным полем. Их назвали радиогалактиками. Чаще всего они имеют два очага радиоизлучения, расположенные по обе стороны от галактики. Они возникли в результате активности ядер галактик, выбрасывающих в противоположные стороны быстрые потоки вещества.

На месте некоторых радиоисточников на небе нашли объекты, неотличимые на фотографиях от очень слабых звезд. Но как показали особенности их излучения, эти объекты не могут быть звездами. В их спектре имеются яркие линии со значительным красным смещением. В некоторых случаях это линии газа, обычно наблюдаемые в ультрафиолетовой области спектра, смещенные в его видимую часть. Красное смещение их так велико, что ему соответствуют расстояния в миллиарды световых лет. Эти объекты, названные квазизвездными (звездоподобными) источниками радиоизлучения или квазарами, являются самыми далекими небесными телами, расстояние до которых удалось определить. Ярчайший из квазаров выглядит как звезда 13-й звездной величины, но по светимости некоторые квазары в сотни раз ярче, чем гигантские галактики. Остается неясным происхождение колоссальных потоков энергии, излучаемой ими в оптическом и радиодиапазоне. Наблюдения свидетельствуют, что квазары сходны по своей природе с активными ядрами галактик и, вероятно, являются ядрами очень далеких звеяпных систем