Наша Галактика

1. 1. Структура Галактики. На осеннем ночном небе в ясную безлунную ночь с запада на восток через зенит (широты Беларуси) тянется хорошо заметная светящаяся полоса — Млечный Путь . Древние греки Млечный Путь назвали Галактикой (греч. gala — молоко). Ещё Галилео Галилей в 1609 г. в телескоп обнаружил, что Млечный Путь состоит из множества слабых звёзд.

Рисунок 140 — Млечный Путь – панарама 360°

Млечный Путь проходит через оба полушария по большому кругу небесной сферы (рис. 140). Линия, идущая вдоль середины Млечного Пути, названа галактическим экватором, а образующая его плоскость — галактической плоскостью. Галактическая плоскость наклонена к плоскости небесного экватора под углом 63°.

Итак, Галактика — это гравитационно-связанная система, состоящая из сотен миллиардов звёзд и межзвёздной среды, а Млечный Путь — её светящаяся проекция на небесную сферу.

Количественные подсчёты звёзд в разных направлениях от галактического экватора предпринял ещё У. Гершель в 70-х гг. XVIII в. Выборочные подсчёты показали, что число звёзд резко убывает по обе стороны от галактической плоскости. Дальнейшими исследованиями было установлено, что все звёзды неба образуют единую звёздную систему. В Млечном Пути сосредоточено подавляющее число звёзд Галактики — огромной звёздной системы, имеющей форму плоского линзообразного диска (рис. 141) поперечником около 30 и толщиной около 4 кпк (или соответственно около 100 и 12 тыс. световых лет). Звёздный диск Галактики имеет структуру в виде спиральных ветвей (рукавов).

Шарообразное утолщение в середине диска получило название балдж (англ. bulge — вздутие). Наиболее плотная и компактная центральная часть Галактики, расположенная в созвездии Стрельца, называется ядром.

Сверхмассивная чёрная дыра “Стрелец А”

Ядро Галактики скрыто от нас газопылевыми облаками и звёздами. Оно обладает очень высокой активностью и излучает в радио-, инфракрасном и рентгеновском диапазонах длин волн. Масса ядра оценивается в несколько десятков миллионов масс Солнца. Исследование процессов, происходящих в центральной области Галактики, позволяет предположить, что в ядре расположена сверхмассивная чёрная дыра. Часть звёзд нашей Галактики не входит в состав диска, а образует сферическую составляющую — звёздное гало, радиус которого не менее 20 кпк. Гало окружает очень разряженная и большая по размерам (50— 60 кпк) внешняя часть Галактики — корона. Солнечная система в Галактике находится далеко от центра — на расстоянии около 8 кпк — и лежит почти в галактической плоскости.

2. Звёздные скопления. Структурными составляющими Галактики являются звёздные скопления. Звёздные скопления — это гравитационно-связанные группы звёзд, которые имеют общее происхождение. Звёздные скопления движутся в поле тяготения Галактики как единое целое.

Рисунок 142 — Рассеянное звёздное скопление Плеяды в созвездии Тельца и другие.

По внешнему виду они подразделяются на рассеянные и шаровые. Рассеянное звёздное скопление — это не имеющая правильной формы сравнительно неплотная группа звёзд, содержащая от нескольких десятков до нескольких тысяч звёзд. Размеры таких скоплений — 6—14 пк. Ближайшие к нам рассеянные звёздные скопления — Плеяды и Гиады — находятся в созвездии Тельца. Невооружённым глазом можно различить в Плеядах 5—7 слабых звёздочек, располагающихся в виде маленького ковша (рис. 142). В настоящее время известно около 1200 рассеянных звёздных скоплений. Общее же их число в Галактике оценивается в 20 тыс. объектов. Все они концентрируются у галактической плоскости и состоят из молодых бело-голубых звёзд главной последовательности.

Шаровые звёздные скопления имеют сферическую или эллипсо-идальную форму (рис. 143), они насчитывают от десятков тысяч до миллионов звёзд. Диаметры таких звёздных скоплений лежат в пределах от 20 до 100 пк. Пространственная концентрация звёзд резко возрастает к центру скопления, достигая десятков тысяч в кубическом парсеке (в окрестностях Солнца — 0,13 пк^-3). Шаровые скопления образуют протяжённое гало вокруг центра Галактики, сильно концентрируясь к нему. Всего в Галактике открыто около 150 шаровых скоплений, а их общее число примерно составляет около 500. Звёздное население шаровых скоплений состоит из давно проэволюционировав ших звёзд — красных гигантов и сверхгигантов. Шаровые скопления нашей Галактики — одни из старейших. Их возраст составляет 10—15 млрд лет.

Рисунок 143 — Шаровое звёздное скопление М5 (NGC 5904) в созвездии Змеи и другие.

Рисунок 144 — Пространственная (v), лучевая (vr) и тангенциальная (vt) скорости

Рисунок 144 — Пространственная (v), лучевая (v_r) и тангенциальная (v_t) скорости

3. Движение звёзд. В 1718 г. английский астроном Эдмунд Галлей сравнил наблюдавшиеся в его время положения звёзд с теми, которые были приведены в каталогах Гиппарха (II в. до н. э.). Учёный заметил смещение ярких звёзд Сириуса и Проциона на 0,7°, Арктура более чем на 1°. На основании этого факта был сделан вывод о пространственном движении звёзд относительно Солнца. Так впервые было обнаружено, что звёзды движутся. Скорость движения звезды в пространстве относительно Солнца называется пространственной скоростью. В общем случае пространственная скорость υ (рис. 144) направлена под некоторым углом к лучу зрения наблюдателя. Вектор пространственной скорости разложим на две составляющие: по направлению луча зрения (лучевая скорость υ_r) и перпендикулярную лучу зрения (тангенциальная скорость υ_t). Модули пространственной, тангенциальной и лучевой скоростей связаны друг с другом соотношением:

Лучевая скорость звезды определяется по доплеровскому смещению (ДА,) линий в её спектре:

Рисунок 145 — Определение тангенциальной скорости звезды

Тангенциальную скорость определяют по смещению звезды на небесной сфере. Такое смещение у сравнительно близких (к наблюдателю) звёзд составляет несколько секунд за десятки лет:

где μ — собственное движение (видимое угловое смещение звезды на небесной сфере за один год). Оно выражается секундами дуги в год (рис. 145).

Рисунок 146 — Изменение относительного расположения звёзд в «ковше» Большой Медведицы за 100 тыс. лет: а — 50 тыс. лет назад; б — настоящее время (стрелками указаны направления тангенциальных скоростей звёзд); в — через 50 тыс. лет.

Анализ собственных движений звёзд привёл также к обнаружению движения Солнца среди звёзд. Та точка небесной сферы (а = 270°, 5 = +30°, созвездие Геркулеса), по направлению к которой движется Солнце (со скоростью 19,4 км/с по отношению к соседним звёздам), называется апексом Солнца (лат. арех — вершина), а диаметрально противоположная точка неба называется солнечным антиапексом. Вследствие собственных движений звёзд по истечении десятков тысяч лет вид созвездий меняется (рис. 146).

Рисунок 147 — Траектории звёзд в Галактике (диск Галактики — тонкие линии, сферическая составляющая — утолщённые линии)

Рисунок 147 — Траектории звёзд в Галактике (диск Галактики — тонкие линии, сферическая составляющая — утолщённые линии)

4. Вращение Галактики. Способ для доказательства вращения Галактики был разработан в 1859 г. профессором Казанского университета М. А. Ковальским. Изучение лучевых скоростей звёзд в различных направлениях от Солнца позволило сформулировать законы вращения Галактики.

1. Все звёзды диска Галактики обращаются вокруг её ядра по орбитам, близким к круговым. Это вращение происходит по часовой стрелке, если смотреть на Галактику со стороны её северного полюса, находящегося в созвездии Волосы Вероники.

2. Угловая скорость вращения убывает по мере удаления от центра. Однако это убывание происходит несколько медленнее, чем требуют законы Кеплера.

3. Линейная скорость вращения сначала возрастает с удалением от центра Галактики, достигая максимума (около 220 км/с) на расстоянии Солнца, после чего очень медленно убывает.

4. Полный период обращения Солнца вокруг ядра Галактики составляет примерно 225 – 250 млн лет (галактический год).

5. Звёзды и скопления звёзд сферической составляющей Галактики движутся по сильно вытянутым и наклонённым к плоскости диска под разными углами орбитам (рис. 147).

Такие звёзды имеют относительно Солнца очень большие скорости (до 200—300 км/с). Как видим, движение звёзд в Галактике несколько напоминает движение тел Солнечной системы. Зная скорость обращения и радиус круговой орбиты, можно вычислить массу внутренней части Галактики. Из формулы для круговой скорости (см. § 9) следует:

Подставляя значения v = 2,2 • 10⁵ м/с, r = 2,5 • 10²⁰ м и G = 6,7 • 10^-11 Н • м²/кг², получим, что М = 1,8 • 10⁴¹ кг, или около 100 млрд масс Солнца. Масса Галактики в пределах объёма радиусом 15 кпк оценивается примерно в 200 млрд масс Солнца. С учётом остальной части Галактики её масса оценивается примерно в 10¹² масс Солнца.

Главные выводы
1. Наша Галактика — гравитационно-связанная система, состоящая из сотен миллиардов звёзд и межзвёздной среды.
2. Млечный Путь — протянувшаяся через всё звёздное небо слабо светящаяся полоса, которая является проекцией огромного количества звёзд Галактики.
3. Структурными составляющими Галактики являются гравита-ционно-связанные группы звёзд (шаровые скопления, рассеянные скопления), имеющие общее происхождение и движущиеся в поле тяготения Галактики как единое целое.
4. Солнечная система относительно ближайших звёзд Галактики движется со скоростью около 20 км/с в направлении созвездия Геркулеса.
5. Наша звёздная система обладает дифференциальным вращением, т. е. угловая скорость вращения убывает по мере удаления от центра.

Контрольные вопросы и задания

1. Найдите на звездной карте созвездия, через которые проходит Млечный Путь.
2. Почему наблюдателю, находящемуся на Земле, Млечный Путь представляется прерывистым и клочковатым?
3. Как устроена наша Галактика?
4. Каково положение Солнечной системы в Галактике?
5. Чем отличаются звезды диска Галактики от звезд гало?
6. Как распределены шаровые скопления в Галактике? Чем они отличаются от рассеянных скоплений?
7. Каковы особенности вращения нашей Галактики?
8. Сколько раз за время существования Солнце успело обернуться вокруг центра Галактики?
9. Звезда 83 Геркулеса находится от Солнца на расстоянии D = 100 пк, ее собственное движение составляет μ = 0,12″. Какова тангенциальная скорость этой звезды?
10. Лучевая скорость звезды Бетельгейзе v_r = 21 км/с, собственное движение μ = 0,032″ в год, а параллакс р = 0,012″. Определите полную пространственную скорость этой звезды относительно Солнца.

Проверь себя

Выбор тем