09.12.2020
Уроки 53, 54
Тема. Молочний шлях. Будова Галактики. Підсистеми Галактики та її спіральна структура
Завдання:
- Переглянути відео (нище, за посиланням)
- Прочитати теорію
- Створити конспект, записати в зошит
Молочний Шлях. Будова Галактики. Зоряні скупчення та асоціації. Туманності. За межами Сонячної системи, на відстані більш ніж 100 000 а. о., починається зона тяжіння інших зір. Неозброєним оком на небі можна побачити близько 6000 зір, які утворюють на небі 88 сузір'їв. Насправді зір набагато більше, але від далеких світил надходить так мало світла, що їх можна спостерігати тільки в телескоп. Великі скупчення зір, що утримуються силою тяжіння, називають галактиками.
Рис. 1.1. Молочний, або Чумацький Шлях, до якого входить наша Сонячна система. На нічному небі ми бачимо його як сріблясту смугу
У Всесвіті перебувають мільярди галактик, серед яких є і наша Галактика, яку називають Молочний, або Чумацький Шлях, до якої входить наша Сонячна система. На нічному небі ми бачимо її як сріблясту смугу (рис. 1.1). Наша Галактика — це величезна система, у якій обертаються навколо центра (рис. 1.2) мільярди зір. Гарячі зорі розміщені у вигляді диска зі спіральними рукавами. Галактики розташовані в скупченнях і формують комірчасту структуру Всесвіту. Найбільш віддалені космічні об'єкти, які ще можна побачити у сучасні телескопи, — квазари. Вони розташовані від нас на відстані 10 млрд св. років.
Рис. 1.2. Центр Чумацького Шляху. Знімок з телескопа «Спітцер»
Дуже важко визначити вік, коли сформувався Чумацький Шлях, але наразі вік найдавніших зір у Галактиці оцінюється у 13,6 млрд років, що приблизно дорівнює віку Всесвіту. За сучасними уявленнями, Чумацький Шлях утворився внаслідок зіткнення і злиття невеликих галактик. Свідченням цього є перші зорі з дуже низькою металічністю, що утворилися на найранішому етапі існування Всесвіту. Такі зорі вчені знаходять у галактичному гало — «околиці» Чумацького Шляху, що тягнеться за межі його видимої частини.
Галактика — велетенська зоряна система, яка складається приблизно із 200 млрд зір, до яких належить і Сонце
Молочний Шлях (або наша Галактика чи просто Галактика з великої літери) — галактика, у якій розташована Сонячна система і всі окремі зорі, видимі неозброєним оком. У народі її ще називають Чумацьким Шляхом
За допомогою комп'ютерного моделювання фахівці з Гарвард-Смітсонівського астрофізичного центру дійшли висновку, що наша Галактика та галактика Андромеди (рис. 1.3), які наближаються одна до одної зі швидкістю близько 500 тис. км/год, врешті-решт об'єднаються. Це станеться приблизно за 2 млрд років.
Рис. 1.3. Комп'ютерна модель зближення Чумацького Шляху та галактики Андромеди
Зорі в Галактиці утворюють певні системи, які тривалий час існують у спільному гравітаційному полі. Більшість зір рухається у подвійних та кратних системах, у яких компоненти обертаються навколо спільного центра мас подібно до обертання планет Сонячної системи. Найчисленніші системи об'єднання зір налічують сотні тисяч об'єктів — це зоряні скупчення та асоціації. Кулясті зоряні скупчення складаються з мільйонів зір. Розсіяні зоряні скупчення мають кілька тисяч об'єктів. Найяскравіші з них — Плеяди (Стожари) та Гіади — видно неозброєним оком у сузір'ї Тільця. У зоряні асоціації входять відносно молоді зорі, які мають спільне походження.
Параметри нашої Галактики
Галактику часто зображують як зоряну систему у вигляді велетенського млинця, у якому зорі рухаються в одній площині. Насправді Галактика має сферичну форму з діаметром майже 300 000 св. років, але більшість зір великої світності розміщуються приблизно в одній площині, тому їх видно на небі як туманну світлу смугу, яку в Україні називають Чумацьким Шляхом.
Назва «Галактика» прийшла з Давньої Греції і в перекладі означає Молочний Шлях. Зверніть увагу, що всі яскраві зорі (сузір'я Оріон, Лебідь, Ліра, Орел) розташовані у смузі Молочного Шляху. У цій площині розташована значна частина газопилових туманностей, з яких утворюються нові покоління зір і планет.
Усі ці об'єкти формують так звану плоску складову Галактики, до якої входить і Сонячна система (рис. 1.4). Старі зорі малої світності, які входять у кулясті скупчення, належать до сферичної складової Галактики. За хімічним складом зорі кулястих скупчень містять у сотні разів менше важких хімічних елементів, ніж Сонце, адже це зорі першого покоління, які сформувалися разом з утворенням Галактики ще 10-15 млрд років тому. Зародження молодих зір і планетних систем зараз відбувається тільки у площині Галактики, де газопилові туманності утворюються після спалаху Нових та Наднових зір.
Рис. 1.4. Газопилова туманність Трифід у сузір'ї Стрільця
Туманності. Деякі туманності світяться, тому що їх висвітлюють сусідні зорі; інші залишаються хмарами темного газу. Оскільки міжзоряний пил поглинає світло, учені можуть визначити місце розташування такої туманності, яка затуляє більш далекі зорі. Після спалаху зорі всі планети, які оберталися навколо неї, випаровуються й перетворюються на газову туманність, з якої в майбутньому може утворитися нове покоління зір. Тобто у Всесвіті спостерігається своєрідний кругообіг речовини: зорі — спалах зір — туманність — народження нових зір.
Туманності — протяжні згущення газу й міжзоряного пилу в Галактиці, які виявляють себе поглинанням (темні туманності) або випромінюванням (світлі дифузні, емісійні туманності). Темні й світлі туманності відрізняються лише виглядом, методами їх виявлення і спостережень, особливістю випромінювання
Деякі газові туманності, що оточують зорі, називаються планетарними. Вони світяться завдяки енергії випромінювання центральної зорі — ядра панетарної туманності. Нині виявлено понад 1500 галактичних планетарних туманностей, їх знайдено і в найближчих галактиках, наприклад у Маґелланових хмарах.
Деякі туманності, за якими легко спостерігати
Сузір'я | Назва | Вид | Півкуля | Спосіб спостереження |
Водолій | NGС7293 | планетарна | Південна | У бінокль |
Кіль | NG3372 | пилова | Південна | У бінокль |
Ліра | M57 | планетарна | Північна | У телескоп |
Оріон | M42 | дифузна | Південна | Неозброєним оком |
Стрілець | M20 | дифузна | Південна | У телескоп |
Лисиця | M27 | планетарна | Північна | У телескоп |
Місце Сонячної системи в Галактиці. Сонце розташоване поблизу площини Галактики на відстані 25 000 св. років від її ядра (рис. 1.5). Вектор швидкості Сонця відносно найближчих зір спрямований до сузір'я Геркулес. Разом з усіма сусідніми зорями Сонце обертається навколо ядра Галактики зі швидкістю 230 км/с. Період обертання Сонця навколо ядра називається галактичним роком, який дорівнює 250 000 000 земних років. Аналіз швидкості обертання зір свідчить про суттєву відміну між поведінкою об'єктів у сферичній та плоскій складових Галактики. Якщо зорі плоскої складової обертаються навколо центру Галактики поблизу однієї площини, то зорі сферичної складової об'єднані у величезні кулясті скупчення, що обертаються навколо центру по витягнутих орбітах у різних площинах. До того ж період обертання цих скупчень показує, що значна маса Галактики розподілена саме у сферичній складовій. Це можуть бути об'єкти малої маси, які не випромінюють енергію у видимій частині спектра, або чорні діри малої маси.
Рис. 1.5 Місце розташування Сонячної системи в Галактиці
Сонячна система — Сонце та всі об'єкти, що гравітаційно пов'язані з ним
Дізнайтеся більше про походження назви нашої Галактики.
Контрольні запитання
- 1. Опишіть основні параметри нашої Галактики.
- 2. Чому, на ваш погляд, спостерігачу, який перебуває на Землі, Чумацький Шлях видний переривчастим і клоччастим?
- 3. Що таке зоряні скупчення?
- 4. Яке місце Сонячної системи у нашій Галактиці?
- 5. Чим відрізняються зорі плоскої складової Галактики від зір сферичної складової?
- 6. Знайдіть на карті зоряного неба сузір'я, крізь які проходить Чумацький Шлях.
2. Підсистеми Галактики та її спіральна структура
Однією з таємниць Галактики є так звані спіральні рукави (рис. 2.1), які зароджуються десь біля її центру. Сонце розташовується на периферії одного з таких рукавів, що закручений у площині галактичного диска. Астрономи вважають, що спіральні рукави виникають як спіральні хвилі густини, які створюються під час стискування хмар міжзоряного газу на початковому етапі формування зір. У свою чергу, при виникненні зір у міжзоряних хмарах газу та пилу виникають ударні хвилі, що призводить до утворення молодих зір. Коли масивні зорі спалахують як Наднові, то теж утворюються нові туманності, й нові ударні хвилі поширюються у міжзоряному просторі. Тобто формування однієї групи зір забезпечує створення механізму для утворення нового покоління зір. Цей процес інколи називають формуванням зір за допомогою саморозмноження. Такий перебіг подій може формувати спіральні хвилі густини не тільки в нашій Галактиці, а й в інших спіральних галактиках.
Рис. 2.1. Спіральні рукави галактики М80
Кожен спіральний рукав описує логарифмічну спіраль із нахилом приблизно 12°. Вважається, що в нашій Галактиці існують чотири основні спіральні рукави, які беруть свій початок у галактичному центрі (рис. 2.2). Кожному з них надана власна назва: Рукав Лебедя, Рукав Кентавра, Рукав Стрільця, Рукав Персея. Також існує ще один невеликий рукав — Рукав Оріона, саме в ньому й розташована Сонячна система.
Рис. 2.2 Спіральні рукави нашої Галактики
Спіральні рукави виникають у деяких галактиках як дивні хвилі густини, де формуються нові покоління зір.
Поза межами основних спіральних рукавів розташоване Зовнішнє Кільце, або Кільце Єдинорога. Воно складається із газу та зір, що були запозичені від інших галактик мільярди років тому.
Кільце Єдинорога — протяжний кільцеподібний ланцюг із зір, тричі обернений навколо Чумацького Шляху (рис. 2.3). Припускається, що структура сформувалася внаслідок виривання частини зір із галактики-супутника Великий Пес припливними силами в ході її довготривалого поглинання Чумацьким Шляхом. Вага Кільця Єдинорога становить 100 млн сонячних мас, завдовжки воно сягає 200 тис. св. років.
Рис. 2.3. Кільце Єдинорога — протяжний кільцеподібний ланцюг із зір, тричі обернений навколо Чумацького Шляху
Контрольні запитання
- 1. Де зароджуються спіральні рукави Галактики?
- 2. Назвіть основні рукави Галактики. У якому з них розташовується Сонячна система?
- 3. Який процес формування зір називається саморозмноженням?
- 4. Як сформувалася структура Кільця Єдинорога?
3. Надмасивна чорна діра в центрі Галактики
Центр галактики містить компактний об'єкт із дуже великою масою (близько 4,3 млн M⊙), розташований у напрямку сузір'я Стрільця. Цей об'єкт має назву Стрілець A* (англ. Sagittarius A*, рис. 2.4), більшість вчених вважають його надмасивною чорною дірою (рис. 2.5).
Рис. 2.4. Надмасивна чорна діра Стрілець A*
Рис. 2.5. Комп'ютерна модель чорної діри в центрі Галактики
У 2002 р. міжнародна дослідницька група Інституту Макса Планка на чолі з Райнером Шеделем повідомила про результати спостереження руху зорі S2 навколо об'єкта Стрілець A* за десять років. Вони доводили, що Стрілець A* — об'єкт величезної маси. З аналізу елементів орбіти було визначено, що маса об'єкта становить 2,6 ± 0,2 млн мас Сонця. Ця маса міститься в об'ємі діаметром не більш ніж 17 світлових годин (120 а. о.). Подальші спостереження встановили більш точне значення маси — 3,7 млн мас Сонця, радіусом не більш ніж 6,25 світлових годин (45 а. о.). Для порівняння: Плутон віддалений від Сонця на 5,51 світлових годин. Ці спостереження дозволили припустити, що об'єкт Стрілець A* пов'язаний з чорною дірою.
До кінця 1960-х рр. не існувало ефективних інструментів для вивчення центральних областей Галактики, оскільки щільні хмари космічного пилу (рис. 2.6), які закривають від спостерігача галактичне ядро, повністю поглинають видиме випромінювання, що йде від нього, і значно ускладнюють роботу в радіодіапазоні.
Рис. 2.6. Щільні хмари космічного пилу навколо ядра Галактики
Чорна діра не випускає з поля тяжіння ані елементарних частинок, ані електромагнітні хвилі. Радіус чорної діри залежить від її маси, і може бути від кількох сантиметрів або метрів до мільярдів кілометрів
Акреція — падіння речовини на гравітуюче тіло із навколишнього середовища
З появою інфрачервоних детекторів високої роздільної здатності з'явилась можливість спостерігати окремі зорі в центральних областях Галактики (рис. 2.7). Вивчення їхніх спектральних характеристик виявило, що більшість із них належать до молодих зір віком кілька мільйонів років. Всупереч поглядам, які прийняті раніше, було встановлено, що в околицях надмасивної чорної діри активно йде процес зореутворення. Деякі дослідники вважають, що джерелом газу для цього процесу є два плоскі акреційні газові кільця (рис. 2.8), виявлені в центрі Галактики в 1980-х рр. Проте внутрішній діаметр цих кілець занадто великий, щоб пояснити процес зореутворення в безпосередній близькості від чорної діри. Зорі, що розташовуються в радіусі 10 пк від чорної діри (так звані «S-зірки»), мають довільний напрямок руху орбітальних моментів, що суперечить акреційному сценарію їх виникнення. Вважається, що це гарячі ядра червоних гігантів, які утворилися у віддалених районах Галактики, а потім мігрували в центральну зону, де їхні зовнішні оболонки були зірвані припливними силами чорної діри.
Рис. 2.7. Зорі в межах ± 0,5" від центру Галактики
Рис. 2.8. Хмари гарячого газу в центрі Галактики
Дізнайтеся про гіпотетичні антиподи чорних дір.
Контрольні запитання
- 1. Яку назву дали об'єкту в центрі Галактики?
- 2. Завдяки чому стало можливим спостерігати зорі в центральних областях Галактики?
- 3. Які спостереження припускають, що об'єкт Стрілець А* пов'язаний з чорною дірою?
- 4. Що являють собою чорні діри?
Висновки. Наша Галактика (Молочний Шлях) — величезна система, у якій обертаються навколо центра 400 млрд зір. Найчисленніші системи об'єднання зір налічують сотні тисяч об'єктів — це зоряні скупчення та асоціації. Сонце розташоване поблизу площини Галактики на відстані 25 000 св. років від її ядра.
Спіральні рукави виникають у деяких галактиках як дивні хвилі густини, де формуються нові покоління зір. Вважається, що у нашій Галактиці існують чотири основні спіральні рукави, які беруть свій початок у галактичному центрі.
Центр Галактики містить компактний об'єкт із дуже великою масою, розташований у напрямку сузір'я Стрільця. Цей об'єкт має назву Стрілець A* і вважається надмасивною чорною дірою.
Немає коментарів:
Дописати коментар