11 класс
§ 77. Другие галактики
Типы галактик.
В Северном полушарии невооружённым глазом на небе можно увидеть светлое пятно — Туманность Андромеды (М31) (рис. 12.26).
В Южном полушарии видно ещё два пятна: Большое и Малое Магеллановы облака. C помощью телескопа можно найти множество подобных объектов, однако лишь в начале XX в.
американский астроном Эдвин Хаббл (1889—1953) смог обнаружить отдельные звёзды в этих туманностях и тем самым доказать, что эти пятна являются «звёздными островами», такими же, как наша Галактика.
Галактиками называют гравитационно связанные системы, состоящие из звёзд, газа и тёмной материи.
Гравитационная связанность означает, что сумма кинетической и потенциальной энергий системы отрицательна, т. е. звёзды и облака газа в галактиках в целом движутся по замкнутым орбитам вокруг общего центра масс. Для исследования галактик получают их фотометрические 1 изображения, а также спектры. Фотометрическая информация позволяет определить, как распределены в галактике звёзды, газ и пыль, очаги звездообразования.
1 Фотометрия — раздел оптики, в котором рассматриваются методы измерения световой энергии.
По внешнему виду галактики разделяют на несколько типов (рис. 12.27).
Галактиками ранних типов или эллиптическими называют объекты от шарообразной (E0) до вытянутой овальной формы (Е7) без ярко выраженного диска и спиральных рукавов. Спиральные галактики (галактики поздних типов, дисковые галактики) обладают тонким диском со спиральным узором. Их подразделяют на несколько подтипов: нормальные спирали, у которых спиральные рукава начинаются из центральной области (в зависимости от степени закрученности спиралей такие галактики обозначают Sa — наиболее туго закрученные, Sb, Sc) и пересечённые спирали, у которых рукава выходят не из ядра, а связаны с перемычкой (баром), проходящей церез центр галактики (типы SBa—SBc). Линзовидные галактики (S0) относятся к дисковым, но спиральная структура в них не выражена. Встречаются также галактики неправильной (иррегулярной) формы Ir.
Физическая разница между спиральными и эллиптическими галактиками состоит в том, что в спиральных всегда есть вращающийся диск, состоящий из газа и молодых звёзд. Спиральные рукава представляют собой волны звездообразования, которые бегут по поверхности этого диска: там находятся наиболее яркие молодые звёзды. В эллиптических галактиках преобладают старые звёзды, отсутствует холодный плотный газ, пригодный для образования новых звёзд. Кроме того, звёзды в эллиптических галактиках не вращаются в одном направлении, а движутся хаотически.
Исторически сложившиеся названия «галактики поздних типов» для спиральных и «галактики ранних типов» для эллиптических отражают бытовавшие ранее неверные представления об их эволюционной связи. Сейчас считается, что эта связь гораздо более сложна: спиральная галактика может потерять холодный газ, пригодный для образования звёзд, в результате мощной вспышки звездообразования, так как излучение молодых звёзд нагревает газ. C другой стороны, в результате падения вещества на галактику извне в эллиптической галактике может возникнуть диск, и она превратится в спиральную, как, например, две спиральные галактики Мышки в созвездии Волосы Вероники, расположенные от Земли на расстоянии 290 млн лет. В настоящее время эти галактики находятся в состоянии столкновения и слияния (рис. 12.28).
Наблюдение спектральных линий различных элементов (водорода, кислорода, углерода и др.) позволяет изучить кинематику галактик за счёт эффекта Доплера. В частности, если считать, что газ в галактике движется по круговым орбитам, можно применить формулу определения первой космической скорости для измерения распределения массы в галактике:
Для определения массы необходимо измерить скорость ѵ движения какого-либо участка галактики относительно её центра, а также расстояние R до этого участка от центра. Измеренная таким образом масса называется динамической. Она отличается от, например, массы газа, которую можно определить по интенсивности его излучения, так как включает в себя и невидимое вещество, например остывшие звёзды и тёмную материю (см. § 79 "Представления об эволюции Вселенной"). Если на луч зрения телескопа попадает несколько облаков газа, имеющих различные скорости, это приводит к уширению спектральных линий за счёт того же эффекта Доплера. Излучение каждого облака даёт сравнительно узкую линию, но для каждого облака она сдвинута по длине волны относительно линий других облаков, поэтому линия «размазывается».
По размерам и массе различают: галактики карлики с динамической массой от 107 до 1011 масс Солнца и видимым размером не более килопарсека, нормальные галактики с массой до 1012 масс Солнца и размером до десятков килопарсек, гигантские галактики с массой до 1013 масс Солнца и размером более 100 кпк. Карликовые галактики часто являются спутниками более массивных галактик, т. е. движутся вокруг них по орбитам. В частности, вокруг нашей Галактики обнаружено несколько десятков спутников, самые большие из которых — Магеллановы Облака.
Активные галактики.
В отдельный класс выделяют активные галактики — объекты, в которых от центральной области (ядра) исходит излучение, по мощности превосходящее излучение остальной галактики. Эта активность может быть вызвана либо мощной вспышкой звездообразования, либо излучением компактного центрального объекта — сверхмассивной чёрной дыры.
Чёрные дыры с массой более миллиона солнечных масс присутствуют в центрах почти каждой галактики. Сама чёрная дыра по определению не может излучать свет, однако при падении вещества на неё (аккреции) выделяется колоссальное количество энергии, составляющее, по оценкам, не менее нескольких процентов от энергии покоя падающего вещества (т. е. mс2, где с — скорость света). Это существенно выше, чем выделение энергии при термоядерном синтезе (около 0,7% от mс2). Энергия падающего вещества выделяется в виде мощного излучения во всех диапазонах электромагнитных волн (от радио- до γ-излучения) в виде пучков релятивистских частиц, а также в виде мощных струй вещества — джетов, скорость движения в которых составляет заметную долю от скорости света. За образование джета ответственно магнитное поле вещества, которое многократно усиливается при его падении. На рисунке 12.29 показана схема галактики с активным ядром (сверху: аккреционный диск, чёрная дыра, джет, линии магнитного поля; снизу справа: изображение активной галактики Центавр А в трёх диапазонах: рентгеновском, радио- и оптическом).
Источниками излучения являются как аккреционный диск вблизи чёрной дыры, так и джет. Они также могут нагревать и «подсвечивать» окружающее вещество, в результате чего вся центральная часть галактики может иметь повышенную яркость. Энергии джета хватает, чтобы преодолеть притяжение галактики, поэтому джеты могут простираться на расстояния до нескольких миллионов световых лет.
Если в галактике существует достаточно много вещества, способного упасть на чёрную дыру, это падение, как правило, длится не более нескольких миллионов лет. В течение этого периода галактика является активной, а её ядро называют квазаром. Яркость излучения квазара существенно превосходит яркость самой галактики, поэтому такие объекты видны во Вселенной наиболее далеко, на расстояниях до 12 млрд световых лет. После исчерпания запасов вещества в галактике чёрная дыра переходит в спокойную фазу, как в нашей Галактике. Выброшенное с помощью джетов вещество ещё долго остаётся горячим и излучает в радиодиапазоне. Таким образом возникают радиогалактики — галактики с большими старыми джетами.
Вопросы:
1. Что называют галактиками?
2. Как исследуют галактики?
3. На какие типы разделяют галактики по их внешнему виду?
4. Как можно измерить массу галактики?
5. Какие типы галактик можно выделить в соответствии с их массами и размерами?
6. Чем может быть вызвана активность галактики?
7. Что представляет собой:
а) джет;
б)квазар?
Вопросы для обсуждения:
Опасно ли будет для жителей Земли, если наша Галактика сольётся с другой?
Упражнения:
1. Расстояние до галактики составляет 6 млн св. лет, её видимый диаметр — 0,5 градуса. Определите линейный диаметр галактики.
2. Радиус галактики составляет 13 000 св. лет, скорость вращения — 70 км/с. Определите массу галактики.
3. В 2006 г. на 6-метровом телескопе Специальной астрофизической обсерватории был зарегистрирован метеор, по величине скорости входа в атмосферу которого было определено, что он прилетел из другой галактики. Чему должна быть равна минимальная скорость метеора, чтобы можно было с уверенностью сделать такой вывод?
