Галактики. Строение и эволюция Вселенной

1. Типы Галактик

Галактики – растянутые космические системы, состоящие из пыли, газа и множества звезд. Точное количество подсчитать невозможно, потому что лишь в наблюдаемой вселенной их 100 миллиардов.

Некоторые из галактик очень сильно напоминают Млечный Путь, но бывают и совершенно непохожие экземпляры.

Если в галактике меньше миллиарда звезд, то ее называют «маленькой». В Млечной Пути Солнце – лишь одна из миллиарда звезд.

Ученые до конца не разобрались в процессах формирования и эволюции галактик, так как начальные этапы происходили очень рано. Возраст древнейших практически достигает вселенского – 10-13 миллиардов лет.

Всего существует три главных разновидности: спиральная, эллиптическая и неправильная.

Спиральные бывают с перемычкой и без. В первом типе центр пересекается плотным баром звезд. А у вторых подобного формирования не наблюдается.

1) Спиральные галактики

Спиральная (как Млечный Путь) – галактика с плоским диском, выпуклым центром и спиральными рукавами. В диске сосредоточены звезды, планеты, пыль и газ, которые вращаются вокруг центра. Скорость может достигать 100 км/с, из-за чего вещество на диске формируется в виде спирали. Все спиральные галактики вращаются с периодами в несколько сот миллионов лет. Массы их составляют 10¹⁰-10¹¹ масс Солнца. Некоторые из них могут создавать особенные формы, благодаря чему получают оригинальные названия (как Галактика Сомбреро).

Ближе к центру выпуклости сосредотачиваются старшие звезды, а новые формируются в спиральных системах. Их диски окружены ореолами с загадочной темной материей.

М31(Галактика Андромеда, NGC 224) – спиральная галактика, удаленная на 2.54 световых лет. Занимает место в одноименном созвездии. Это наиболее близкая галактика к нашей, чья кажущаяся величина достигает 3.44.

М63 (NGC 5055, Подсолнух) – спиральная галактика, отдаленная на 37 миллионов световых лет. Занимает место в созвездии Гончие Псы, а по видимой величине достигает 9.3.
 

NGC 3034, Сигара – спиральная галактика, удаленная на 11.4-12.4 миллионов световых лет. Занимает место в созвездии Большая Медведица, а по кажущейся величине достигает 8.41.
 

Галактика (https://wallpapersafari.com/moving-galaxies-wallpaper/)

Галактики с перемычкой

Спиральные галактики с крупными яркими звездными полосами и материалом, рассекающим центральные секции, называются «Галактики с перемычкой». У большинства таких галактик есть перемычки - бары. Астрономы все еще не могут понять, какую функцию они выполняют в галактиках. Бары могут вмещать сверхмассивные черные дыры. Они делятся на подгруппы по выпуклостям, спиральным рукавам и их плотности.

М58 (NGC 4579) – спиральная галактика с перемычкой, удаленная на 62 миллиона световых лет. Занимает место в созвездии Дева, а по кажущейся величине достигает 10.5.

М 66 (NGC 3627) – спиральная галактика, отдаленная на 36 миллионов световых лет. Занимает место в созвездии Лев, а по видимой величине достигает 8.9.
Это ярчайший и крупнейший участник Триплета Льва

2) Эллиптические галактики

Эллиптическая – галактика в форме эллипса. Как правило, они круглые, но немного вытянутые вдоль одной оси. По виду они похожи на шаровые звездные скопления, но гораздо больше их по размерам. Могут быть удлиненными и напоминать форму сигары. Такой тип вмещает множество старых звезд (1 триллион), но испытывает недостаток в пыли и прочих межзвездных веществах, чтобы создать молодые. Звезды сосредоточены вокруг центра, но двигаются в случайном направлении. Формируют мало новых объектов. Эллиптические галактики не содержат ни звезд-сверхгигантов, ни диффузных туманностей.

Они вращаются крайне медленно и потому слабо сплюснуты в отличие от быстро вращающихся спиральных галактик.

Гигантские эллиптические галактики, способны простираться на 2 миллиона световых лет. Но этот тип может быть и маленьким – карликовые эллиптические галактики.

М32 (NGC 221) – карликовая эллиптическая галактика, удаленная на 2.49 миллионов световых лет. Занимает место в созвездии Андромеда. Выступает спутниковой галактикой М31, а по видимой величине достигает 8.08.

М60 (NGC 4649) – гигантская эллиптическая галактика, удаленная на 55 миллионов световых лет. Занимает место в созвездии Дева, а по кажущейся
величине достигает 9.8
 

3) Неправильные Галактики

Примерно четверть галактик представляют группу неправильных. Они меньше, чем спиральные и отображают порой причудливые формы. Их можно объяснить появлением новых звезд или же гравитационным контактом с соседней галактикой. Среди неправильных числятся Магеллановы Облака.

Галактики называют «неправильными», потому что они лишены конкретной формы, которая помогает определить галактический тип.

Большое Магелланово Облако – карликовая галактика, выступающая спутником для Млечного Пути (одна из ближайших к нашей планете). Удалена на 163000 световых лет и напоминает слабую туманность в южной сфере.

Но и эта разновидность имеет свою классификацию. Тип I – одиночные необычные галактики. Они вмещают множество молодых звезд и светящихся туманностей.

Тип I NGC 55

Тип II состоит из взаимодействующих галактик. Их странный внешний вид объясняется столкновением двух объектов. В нем замечено очень много пыли.

Тип II Галактика Антенн
 

Галактика Колесо телеги

Типичный вид Сейфертовской галактики - спиральная галактика NGC 1566

Есть также много подтипов: сейфертовские (спирали с быстрым движением), яркие эллиптические супергиганты (поглощают других), кольцевые (без ядра) и прочие.

Таблица характеристик основных видов галактик

2. Закон Хабла
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 100 км/(с*Мпк), 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.

3. Сверхмассивные черные дыры и активность галактик.

Это тип галактики, излучающий больше энергии, чем обычная. Млечный Путь считается стабильным. По сравнению с ним, активные выделяют в 100 раз больше энергии. Это происходит из-за взрывов в ядре. Энергия высвобождается в виде радиоволн. Есть несколько разновидностей таких галактик. Например, Сейфертовские Галактики напоминают спиральные с чрезвычайно активным ядром.

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. Для объяснения явления активности галактик была выдвинута гипотеза о существовании в них сверхмассивных черных дыр.

Это определенный участок в пространстве, обладающий такой сильной гравитацией, что даже световым лучам не удается вырваться за его пределы.

Малые черные дыры создаются после гибели массивных звезд.

Центральные по массе достигают миллиардов солнечных.

Зависимость между массой черной дыры и массой балджа

Сверхмассивные черные дыры превосходят солнечную массу в миллиарды раз, по радиусу могут достигать Солнечной системы. Полагают, что такие объекты есть практически в каждой галактике. Ученые предполагают, что они вырастают за счет накапливания массы из окружающего пыли и газа. Возможно, они обязаны своим масштабам слиянию тысячи небольших черных дыр. Или же могло разрушиться целое звездное скопление.

Черная дыра (https://pics-about-space.com/black-hole-near-earth-2013?p=3#)

В 1963 г. были обнаружены квазизвёздные радиоисточники — квазары.

Квазар (https://linustechtips.com/main/profile/108346-quazar1sumtin/)

За 1 секунду они способны выплеснуть столько энергии, сколько Солнце производит за все свое существование. Они напоминают звезды и считаются наиболее энергичными объектами. Многие полагают, что квазары выступают активными ядрами далеких галактик на ранних эволюционных стадиях. Свет движется к нам миллиарды лет и может поступать даже с самого начала Вселенной. Источником для энергетического запаса у квазара является сверхмассивная черная дыра.

Квазары – это далекие формирования, подпитывающиеся от черных дыр, и в миллиарды раз массивнее Солнца.

Ярчайший из квазаров выглядит как звезда 13-й звездной величины, но по светимости некоторые квазары в сотни раз ярче, чем гигантские галактики.

4. Эволюция Вселенной. Большой взрыв.

Что же такое Вселенная? Если емко, то это сумма всего существующего. Это все время, пространство, материя и энергия, образовавшиеся и расширяющиеся вот уже 13.8 миллиардов лет.

Солнечная система

Объекты глубокого космоса

Вселенная берет свое начало 13.8 лет назад с Большого Взрыва. Это не единственное предположение (теория колеблющейся Вселенной или устойчивого состояния), но только ему удается объяснить появление всей материи, физических законов и прочих формирований.  Теория также способна рассказать, почему происходит расширение, что такое реликтовое излучение и прочие известные явления.

Теория Большого Взрыва: сингулярность – стартовая точка, с последующим расширением

Ученые начали рассматривать Вселенную с настоящего момента и постепенно возвращались к стартовой точке. Отсюда выплыло предположение, что все началось с бесконечной плотности и исчисляемого времени, запустивших процесс расширения. После первого этапа температурные показатели упали, что помогло сформироваться субатомным частицам, а после них – простые атомы. Позже гигантские облака этих формирований соединились с гравитационными силами, порождая звезды и галактики.

Выделяют главные временные промежутки вселенской эволюции: сингулярность, инфляция и охлаждение.

Сингулярность – наиболее ранний период Вселенной. На этом этапе материя была собрана в одной точке бесконечной плоскости, где царствовали экстремальные температурные режимы. В физическом плане доминирует исключительно сила гравитации. Это время длилось от 0 до 10⁴³ секунд.

Вселенная была лишенной устойчивости, потому что вещество было не просто невероятно накаленным, но и сверхплотным. По мере расширения и снижения накаленности, возникли физические законы. С 10⁴³ до 10³⁶ секунды запустился температурный переход.

Начали выделяться фундаментальные силы, отвечающие за вселенские механизмы. Первой была гравитация, затем электромагнетизм и первая ядерная сила. С 10³² и до сегодня длится инфляция.

Когда инфляция подошла к концу, пространство представляло собою кварк-глюонную плазменную структуру и прочие элементарные частички. С остыванием материя сливалась и формировала новые структуры. Период охлаждения наступил с уменьшением температуры и плотности. В этом процессе элементарные частички и фундаментальные силы приобрели современный вид.

Проходит 379000 лет и электроны, объединенные с ядрами водорода, создали атомы, а отделенное излучение продолжило расширяться. Сейчас мы знаем его как реликтовое (древнейший вселенский свет). По мере расширения, его плотность и энергия терялись. Современная температура –  2.7260 ± 0,0013 К (-270,424 °C) и плотность энергии 0,25 эВ/см³. Вы можете посмотреть в любую сторону и повсюду натолкнетесь на остатки этого излучения.

В течение следующих миллиардов лет гравитация заставила более плотные области притягиваться. В этом процессе формировались газовые облака, звезды, галактические структуры и прочие небесные объекты. Этот период именуют Структурной Эпохой, так как именно в этот временной отрезок зарождалась современная Вселенная. Видимое вещество распределялось на различные формирования (звезды в галактики, а те в скопления и сверхскопления).

Этапы эволюции Вселенной.

5. Темная Энергия

Вселенная изобилует темной энергией. С момента Большого Взрыва пространство запустило процесс расширения, что продолжается и сегодня. На ускорение расширение Вселенной влияет некая сила. Кажется, чем шире Вселенная, тем больше «власти» получает эта сила. Ученые решили обозначить ее темной энергией. Количество энергии настолько огромное, что преодолевает гравитационное влияние.

Контрольные вопросы:

1. Как называются спиральные галактики с крупными яркими звездными полосами и материалом, рассекающим центральные секции

2. Какие галактики по виду похожи на шаровые звездные скопления, но гораздо больше их по размерам. Могут быть удлиненными и напоминать форму сигары?

3. Какие галактики лишены конкретной формы?

4. Что называется далеким формированием, подпитывающиеся от черных дыр, и в миллиарды раз массивнее Солнца?

5. Определенный участок в пространстве, обладающий такой сильной гравитацией, что даже световым лучам не удается вырваться за его пределы, называется?

6. Какие этапы выделяют в эволюции Вселенной?

7. Какое излучение называется реликтовым?

8. Назовите этап современного состояния эволюции Вселенной?

9. За счет какой энергии происходит процесс Расширения Вселенной?

3адачи.

1. 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?

Дано:                                             Решение:

v=2000 км/с                                    Lg L=0,4 (5-М)        М=m+5- 5lgD      

H = 100км/(c*Мпк)                         D = 2*10⁷пк.

m=18                                              М = 18 + 5- 5lg  2*10⁷=-13,5   

М-?  L-?                                         Lg L= 0,4 (5 – (-13,5)) =7,4      L=2,5*10⁷   

2. 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?

Дано:                                             Решение

v=15000 км/с                                            D = 150*10⁶пк=150Мпк  

H = 100км/(c*Мпк)                       d = Dsin φ        

φ=20"  

D-?    d-?                                      d=15000пк

3. 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?

Дано:                                        Решение:

m=18                                          М = m + 5- 5lgD       lgD = (m + 5 – М)/5 = 6

М = -7                                        D =10⁶ пк    

D-?   v-?                                     v =  D* H =100км/с 

Домашнее задание:

Вопросы:

1. Перечислите виды Галактик и дайте им характеристику.

2. Сформулируйте и запишите закон Хаббла.

3. Какой тип галактик называется активными? Чем обусловленная их активность?

4. Дайте характеристику сверхмассивной черной дыре

5. Дайте характеристику квазару

6. Опишите этапы эволюции Вселенной.

Задачи:

1. Представьте, что на радиосигнал, принятый от цивилизации из галактики М 106, нами в адрес этой цивилизации отправлена ответная радиограмма. Сколько времени пришлось бы ждать ответа на нее, если расстояние до галактики М 106 составляет 10Мпк?

2. Галактика удаляется от нас со скоростью 6000км/с и имеет видимый угловой размер φ=2’ . Определите расстояние до галактики и ее линейные размеры.