Чумацький Шлях

Галактика Чумацький Шлях

Сонячна система знаходиться у величезній зоряній системі – галактиці Чумацький Шлях, що налічує сотні мільярдів зірок найрізноманітнішої яскравості і кольору. Властивості різних типів зірок Галактики астрономам досить добре відомі. Нашими сусідами є не просто типові зірки та інші небесні об’єкти, а скоріше представники найбільш численних «племен» Галактики. В даний час в околицях Сонця досліджені всі або майже всі зірки, за винятком зовсім карликових, що випромінюють дуже мало світла. Більшість серед них складають дуже слабкі червоні карлики – їх маси в 3-10 разів менші, ніж у Сонця. Зірки, схожі на Сонце, дуже рідкісні, їх всього 6%. Багато наших сусідів (72%) групуються в кратні системи, де компоненти пов’язані один з одним силами гравітації. Яка ж із сотні близьких зірок може претендувати на титул найближчої сусідки Сонця? Зараз нею вважається компонент відомої потрійної системи Альфа Центавра – слабкий червоний карлик Проксіма. Відстань до Проксіми 1,31 пк, світло від неї йде до нас 4,2 року. Статистика навколосонячного населення дає уявлення про еволюцію галактичного диска і Чумацького Шляху в цілому. Наприклад, розподіл за яскравістю зірок сонячного типу показує, що вік диска 10-13 млрд. років.

У XVII столітті, після винаходу телескопа, вчені вперше усвідомили, наскільки велика кількість зірок у космічному просторі. У 1755 р. німецький філософ і природодослідник Іммануїл Кант припустив, що зірки утворюють в космосі групи, подібно до того як планети складають Сонячну систему. Ці групи він назвав «зоряними островами». На думку Канта, одним з таких незліченних островів є Чумацький Шлях – грандіозне скупчення зірок, видиме на небі як світла туманна смуга. Давньогрецькою мовою слово «галактікос» означає «молочний», тому Чумацький Шлях і схожі на нього зоряні системи називають галактиками.

Розміри і будова нашої Галактики

Ґрунтуючись на результатах своїх підрахунків, Гершель зробив спробу визначити розміри галактичного диску: у площині Чумацького Шляху він простягається на відстань не більше 850 одиниць, а в перпендикулярному напрямку – на 200 одиниць, якщо прийняти за одиницю відстань до Сіріуса. За сучасною шкалою відстаней це відповідає 7300Х1700 світлових років. Ця оцінка в цілому вірно відображає структуру Чумацького Шляху, хоча вона вельми неточна. Справа в тому, що крім зірок до складу диска Галактики входять також численні газопилові хмари, які ослаблюють світло віддалених зірок. Перші дослідники Галактики не знали про цю речовину і вважали, що вони бачать всі її зірки.

Справжні розміри Галактики були встановлені тільки в XX столітті. Виявилося, що вона є значно більш плоским утворенням, ніж припускали раніше. Діаметр галактичного диску перевищує 100 тис. світлових років, а товщина – близько 1000 світлових років. Через те що Сонячна система знаходиться практично в площині Галактики, яка заповнена матерією, що поглинає світло, дуже багато деталей будови Чумацького Шляху приховані від погляду земного спостерігача. Проте їх можна вивчати на прикладі інших галактик, схожих з нашою. Так, в 40-і роки XX століття, спостерігаючи галактику M 31, більше відому як туманність Андромеди, німецький астроном Вальтер Бааде зауважив, що плоский галактичний диск цієї величезної галактики занурений в більш розріджену зоряну хмару сферичної форми – гало. Оскільки туманність дуже схожа на нашу Галактику, він припустив, що подібна структура є і у Чумацького Шляху. Зірки галактичного диска були названі населенням I типу, а зірки гало – населенням II типу.

Як показують сучасні дослідження, два види зоряного населення відрізняються не тільки просторовим положенням, а й характером руху, а також хімічним складом. Ці особливості пов’язані в першу чергу з різним походженням диска і сферичної складової.

Чумацький Шлях: гало

Межі галактики Чумацький Шлях визначаються розмірами гало. Радіус гало значно більший від розмірів диска і за деякими даними досягає декількох сотень тисяч світлових років. Центр симетрії гало Чумацького Шляху співпадає з центром галактичного диска. Складається гало в основному з дуже старих, неяскравих маломасивних зірок. Вони зустрічаються як поодинці, так і у вигляді кульових скупчень, які можуть включати в себе більше мільйона зірок. Вік населення сферичної складової Галактики перевищує 12 млрд. років. Його зазвичай приймають за вік самої Галактики. Характерною особливістю зірок гало є надзвичайно мала частка в них важких хімічних елементів. Зірки, що утворюють кульові скупчення, містять металів в сотні разів менше, ніж Сонце.

Зірки сферичної складової концентруються до центру Галактики. Центральна, найбільш щільна частина гало в межах декількох тисяч світлових років від центру Галактики називається «балдж» («потовщення»). Зірки і зоряні скупчення гало рухаються навколо центру Галактики дуже витягнутими орбітами. Через те що обертання окремих зірок відбувається майже безладно, гало в цілому обертається дуже повільно.

Чумацький Шлях: диск

У порівнянні з гало диск обертається помітно швидше. Швидкість його обертання неоднакова на різних відстанях від центру. Вона швидко зростає від нуля в центрі до 200-240 км/с на відстані 2 тис. світлових років від нього, потім трохи зменшується, знову зростає приблизно до того ж значення і далі залишається майже постійною. Вивчення особливостей обертання диска дозволило оцінити його масу. Виявилося, що вона в 150 млрд. разів більша від маси Сонця. Населення диска дуже сильно відрізняється від населення гало. Поблизу площини диска концентруються молоді зірки і зоряні скупчення, вік яких не перевищує декількох мільярдів років. Вони утворюють так звану плоску складову. Серед них дуже багато яскравих і гарячих зірок.

Газ в диску Галактики також зосереджений в основному поблизу його площини. Він розташований нерівномірно, утворюючи численні газові хмари – від гігантських неоднорідних за структурою надхмар протяжністю декілька тисяч світлових років до маленьких хмарок розмірами не більше парсека. Основним хімічним елементом у нашій Галактиці є водень. Приблизно на 1/4 вона складається з гелію. У порівнянні з цими двома елементами інші присутні в дуже невеликих кількостях. У середньому хімічний склад зірок і газу в диску майже такий же, як у Сонця.

Чумацький Шлях: ядро

Однією з найцікавіших областей Галактики вважається її центр, або ядро, розташоване в напрямку сузір’я Стрільця. Видиме випромінювання центральних областей Галактики повністю приховане від нас могутніми шарами поглинаючої матерії. Тому його почали вивчати тільки після створення приймачів інфрачервоного і радіовипромінювання, яке поглинається в меншій степені. Для центральних областей Чумацького Шляху характерна сильна концентрація зірок: у кожному кубічному парсеку поблизу центру їх міститься багато тисяч. Відстані між зірками в десятки і сотні разів менші, ніж в околицях Сонця. Якби ми жили на планеті біля зірки, що знаходиться поблизу ядра Галактики, то на небі були б видні десятки зірок, які за яскравістю можна б було порівняти з Місяцем, і багато тисяч яскравіших, ніж найяскравіші зірки нашого неба.

Крім великої кількості зірок в центральній області Галактики спостерігається навколоядерний газовий диск, що складається переважно з молекулярного водню. Його радіус перевищує 1000 світлових років. Ближче до центру відзначаються області іонізованого водню і численні джерела інфрачервоного випромінювання, що свідчать про те, що там відбувається зореутворення. В самому центрі Галактики передбачається існування масивного компактного об’єкта – чорної діри масою близько мільйона мас Сонця. У центрі знаходиться також яскраве радіоджерело Стрілець А, походження якого пов’язують з активністю ядра.

Чумацький Шлях: спіральні вітки

Одним з найбільш помітних утворень в дисках галактик, подібних до нашої, є спіральні вітки (або рукави). Вони і дали назву цьому типу об’єктів – спіральні галактики. Спіральна структура в нашій Галактиці дуже добре розвинена. Уздовж рукавів в основному зосереджені наймолодші зірки, багато розсіяних зоряних скупчень і асоціацій, а також ланцюжки щільних хмар міжзоряного газу, в яких продовжують утворюватися зірки. У спіральних рукавах найчастіше спостерігаються вибухи деяких типів найновіших. На відміну від гало, де будь-які прояви зоряної активності надзвичайно рідкісні, в рукавах продовжується бурхливе життя, пов’язане з безперервним переходом речовини з міжзоряного простору в зірки і назад. Галактичне магнітне поле, яке пронизує весь газовий диск, також зосереджене головним чином в спіралях.

Спіральні рукави Чумацького Шляху в значній мірі приховані від нас поглинаючою матерією. Детальне їх дослідження почалося після появи радіотелескопів. Вони дозволили вивчати структуру Галактики за спостереженнями радіовипромінювання атомів міжзоряного водню, що концентрується уздовж довгих спіралей. За сучасними уявленнями, спіральні рукави зв’язані з хвилями стиснення, що поширюються диском галактики. Проходячи через області стиснення, речовина диска ущільнюється, а утворення зірок з газу стає інтенсивнішим. Причини виникнення в дисках спіральних галактик такої своєрідної хвильової структури не цілком ясні.

Скупчення і асоціації зірок

Кульові скупчення

Скупчення – група зірок, зв’язаних загальним походженням, становищем у просторі і рухом. Спочатку з’явилося розділення скупчень на кульові та розсіяні, потім з’явився ще один тип зіркових груп – асоціації. У невеликий телескоп кульові скупчення виглядають як дуже тісні групи зірок. Всі вони мають яскраво виражену сферичну або злегка сплюснену форму, зірки в них сильно концентруються до центру, зливаючись в одну світлову пляму. Тільки спостереження з дуже високим кутовим дозволом, наприклад на Хабблівському космічному телескопі, дозволяють розглянути окремі зірочки аж до самого центру. Найбільші скупчення містять понад мільйон зірок. Кількість зірок у кубічному парсеку в центрах кульових скупчень змінюється від кількох сотень до десятків тисяч. Зауважимо, що в околицях Сонця одна зірка припадає на об’єм більше кубічного парсека. Діаметри кульових скупчень складають від 20 до 100 пк.

Кульові скупчення – найстаріші об’єкти нашої Галактики: вони утворилися одночасно з нею. Коли вік скупчень був ще невеликий, в них входили дуже різні за масою зірки. Найлегші були в кілька разів менш масивні, ніж Сонце, а маса найважчих перевищувала сонячну в десятки разів. У масивних зірках всі процеси йдуть інтенсивніше, ніж в легких, вони швидко розтрачують свій запас енергії і «вмирають». Тому зараз в кульових скупченнях присутні лише маломасивні зірки, та й з них більшість знаходиться на пізніх стадіях своєї еволюції. Коли і вони згаснуть, в скупченнях залишаться самі лише маленькі зірки, які живуть дуже довго. Знаючи, скільки в скупченні зірок з різною масою, можна визначити, як давно воно виникло. Вік кульових скупчень, оцінених таким чином, перевищує 12 млрд. років.

Масивні зірки, що були колись членами цих систем, не зникли безслідно. Після них залишилися білі карлики, нейтронні зірки і, можливо, чорні діри. Найчастіше вони виявляють себе за гравітаційною взаємодією з іншими членами скупчення. Результат: спалахи нових зірок, пульсари. Старі зірки часто втрачають стійкість і починають регулярно змінювати яскравість – стають змінними. Подібних зірок – цефеїди – в кульових скупченнях відкрито дуже багато. Народившись одночасно з Галактикою, кульові скупчення практично зберегли хімічний склад тієї гігантської догалактичної хмари, з якої вони сформувалися. Історія утворення кульових скупчень відбилася на їх просторовому розподілі в галактиці Чумацький Шлях. Усі вони розташовуються сферично симетрично відносно центру Галактики.

Розсіяні скупчення

Розсіяних скупчень відомо набагато більше, ніж кульових, хоча відкривати їх значно важче. Через низьку зоряну щільність їх легко сплутати з випадковими зірками. Виділити реальні групи зірок можна, дослідивши їх рух в просторі і віддаленість від Сонця. Якщо зірки, що знаходяться приблизно на однаковій відстані від нас, рухаються в одному і тому ж напрямку, швидше за все вони дійсно пов’язані в одну систему. Всього зараз виявлено більше 1200 розсіяних скупчень. Найвідоміші серед них – Плеяди і Гіади. Як правило, розсіяні скупчення складаються з кількох сотень або тисяч зірок, а найбільші містять близько 10 тис. членів. Маса розсіяних скупчень невелика, і їх гравітаційне поле не в змозі довго протидіяти руйнуванню скупчень. Проіснувавши близько мільярда років, вони розчиняються в океані Галактики. У наймолодших скупченнях зірки ще продовжують народжуватися у нас на очах. Навколо багатьох зірок видно залишки тих газових хмар, з яких вони виникли. У розсіяних скупченнях багато масивних, дуже яскравих, змінних, зірок з незвичайним хімічним складом. В середньому вміст різних елементів в скупченнях близький до сонячного. Але він може сильно відрізнятися у різних скупчень. Крім того, спостереження вказують на можливу залежність хімічного складу розсіяних скупчень від відстані до центра Галактики: чим ближче скупчення до центру, тим більше в ньому важких елементів.

Зоряні асоціації

Крім розсіяних скупчень добре вивчений ще один тип угрупувань молодих зірок, об’єднаних загальним утворенням. Це – зоряні асоціації. Вони більш розріджені, ніж скупчення, і перевершують останні за розмірами: типова їх протяжність 200-300 світлових років. В асоціації може міститися від декількох до кількох десятків гарячих блакитних зірок високої яскравості. Вони досить рідко зустрічаються в природі через своє відносно коротке життя. Деякі зірки в асоціаціях настільки молоді, що ще не сформувалися остаточно. Асоціації, як правило, пов’язані з масивними хмарами холодного молекулярного газу, з якого і виникають зірки. Утворені масивні зірки своїм потужним випромінюванням і потоками газу викидають в міжзоряне середовище велику кількість енергії, нагріваючи навколишній газ і вимітаючи його з асоціації. В результаті зоряне угрупування виявляється нестійким і, повільно розширюючись, губиться на фоні навколишніх зірок.

Чумацький Шлях і місце Сонця в ньому

В околицях Сонця вдається простежити ділянки двох спіральних гілок, віддалених від нас приблизно на 3 тис. світлових років. За сузір’ями, де виявляються ці ділянки, їх називають рукавом Стрільця і рукавом Персея. Сонце знаходиться майже посередині між цими спіральними вітками. Правда, порівняно близько від нас, у сузір’ї Оріона, проходить ще одна, не настільки явно виражена вітка, котра вважається відгалуженням одного з основних спіральних рукавів Галактики. Відстань від Сонця до центру Чумацького Шляху складає 23-28 тис. світлових років. Це говорить про те, що Сонце розташоване посередині між центром і краєм диска. Разом з усіма близькими зірками Сонце обертається навколо центру Галактики зі швидкістю 200-220 км/с, здійснюючи оборот приблизно за 200 млн. років. Отже, за весь час свого існування Земля облетіла навколо центру Галактики не більше 30 разів. Швидкість обертання Сонця навколо центру Галактики практично збігається з тією швидкістю, з якою в даному районі рухається хвиля ущільнення, що формує спіральний рукав. Така ситуація в загальному неординарна для Галактики: спіральні гілки обертаються з постійною кутовою швидкістю, як спиці колеса, а рух зірок, як ми бачили, підкоряється зовсім інший закономірності. Тому майже все зоряне населення диска то потрапляє всередину спіральних гілок, то виходить з них. Єдине місце, де швидкості зірок і рукавів збігаються – це так звана коротаційна окружність. Саме поблизу неї і розташовується Сонце!

Для Землі ця обставина вкрай сприятлива. Адже в спіральних рукавах відбуваються бурхливі процеси, які породжують потужне випромінювання, згубне для всього живого. І ніяка атмосфера не могла б від нього захистити. Але наша планета існує у відносно спокійному місці Галактики і протягом сотень мільйонів і мільярдів років не відчувала катастрофічного впливу космічних катаклізмів.

Галактичні відстані

При вивченні нашої Галактики астрономи стикаються з серйозною проблемою: Сонце знаходиться майже точно в площині Чумацького Шляху, де зосереджені міжзоряний газ і пил, що поглинають світло далеких зірок. Тому ми бачимо лише частину галактичного диску, не далі декількох кілопарсек від Сонця. Особливо складно «пробитися» за допомогою оптичного телескопа до центру Галактики, щоб вивчити його будову і виміряти відстань до нього. Для астрономів це дуже важлива величина, яка задає масштаб всіх інших відстаней в Галактиці. Без неї неможливо визначити швидкість обертання і масу Галактики, відстані до далеких зірок, скупчень і туманностей.

Спочатку астрономам навіть неясно було, в якому напрямку розташований центр Галактики. Вперше цей напрямок «намацав» в 1917 р. американський астроном Харлоу Шеплі. Він припустив, що кульові зоряні скупчення, що населяють гало Галактики і тому видимі на великих відстанях, симетрично розподілені навколо галактичного центру. Помітивши, що кульові скупчення в основному видні в напрямку сузір’їв Скорпіона, Змієносця і Стрільця, Шеплі зрозумів, що десь там і знаходиться центр Чумацького Шляху.

У 40-х роках інфрачервоні телескопи, значно менш чутливі до міжзоряного поглинання, ніж оптичні, вказали на велику концентрацію зірок у сузір’ї Стрільця. А пізніше радіотелескопи, яким пил взагалі не перешкода, зафіксували в цьому сузір’ї потужне радіоджерело Стрілець А. Воно якраз і збігається з центром Галактики.

Тепер слід було визначити відстань до нього. Шеплі з розподілу кульових скупчень оцінив його 12-16 кпк. При цьому він вважав, що Сонце знаходиться на краю галактичного диску, діаметр якого, отже, близько 30 кпк. Головним фактором невизначеності був обрахунок міжзоряного поглинання: досі відстані до деяких кульових скупчень відомі з помилкою до 50%. Йшли роки, і з’являлися нові оцінки відстаней до зірок і зоряних скупчень. Розбіжності в оцінках були досить істотні. Кожен дослідник, який займається цією проблемою, знаходив своє значення і волів використовувати саме його.

Але якщо у кожного астронома своє «мірило», то немає жодного взаєморозуміння. Щоб якось виправити це становище, у 1963 р. астрономічне співтовариство домовилося прийняти єдині значення найважливіших величин, що характеризують розміри Галактики (R₀) і швидкість її обертання в районі орбіти Сонця (V₀). Було вирішено дотримуватися значень R₀ = 10 кпк і V₀ = 250 км/с. У 1985 р. Генеральна асамблея Міжнародного астрономічного союзу рекомендувала використовувати нові значення: R₀ = 8,5 кпк і V₀ = 220 км/с. Однак далеко не всі астрономи згодні з тим, що вони точніші від старих. Щороку публікується три-чотири роботи з вимірювання і результати коливаються від 7 до 11 кпк.

Зрозуміло, астрономи не завжди будуть приймати умовні значення найважливіших величин, що характеризують Чумацький Шлях. Грандіозні антенні системи – міжконтинентальні радіоінтерферометри – вже зараз дозволяють отримувати дуже високий дозвіл – до 0,001". Що дозволить більш точно виміряти R₀.

Отже, за останні 80 років в результаті роботи астрономів Сонце майже вдвічі «наблизилося» до центру Галактики. Здавалося б, і розмір всієї нашої зоряної системи повинен був зменшитися вдвічі. Але ні, за ці роки були відкриті зірки, скупчення і хмари газу на відстані близько 100 кпк від центру Галактики. Так що діаметр нашого зіркового дому став майже 200 кпк!

За матеріалами: galspace.spb.ru.

Читайте також:

Меню