Выберите два типа объектов, присутствующих преимущественно в диске нашей галактики
Обновлено: 02.07.2024
Первое достоверное измерение размеров Галактики было сделано в 1917 году американским астрономом Харлоу Шепли. Он пришел к определению своего размера, установив пространственное распределение шаровых скоплений. Шепли обнаружил, что вместо относительно небольшой системы с Солнцем у центра, как считалось ранее, Галактика огромна, и Солнце ближе к краю, чем к центру. Предполагая, что шаровые скопления очерчивают Галактику, он определил, что ее диаметр составляет около 100 000 световых лет, а Солнце находится примерно в 30 000 световых лет от центра. (Световой год — это расстояние, проходимое светом за один год, и составляет примерно 9 460 000 000 000 км [5 880 000 000 000 миль].) Его значения удивительно хорошо сохранились на протяжении многих лет. Частично в зависимости от конкретного обсуждаемого компонента звездный диск системы Млечный Путь примерно такой же большой, как предсказывала модель Шепли, с несколько более широко рассеянным нейтральным водородом и темным (то есть ненаблюдаемым) веществом, возможно, занимающим даже больший объем, чем ожидал. Самые далекие звезды и газовые облака системы, расстояние до которых надежно определено, находятся примерно в 100 000 световых лет от галактического центра, в то время как расстояние от Солнца до центра составляет примерно 25 000 световых лет. /p>
Структура спиральной системы
Структура Галактики Млечный Путь довольно типична для большой спиральной системы. (Спиральные галактики и другие типы галактик описаны в статье галактика.) Эту структуру можно рассматривать как состоящую из шести отдельных частей: (1) ядра, (2) центральной выпуклости, (3) диска (оба тонкие и толстый диск), (4) спиральные рукава, (5) сферический компонент и (6) массивное гало. Некоторые из этих компонентов смешиваются друг с другом.
Что вы знаете о Марсе? Как насчет энергии? Думаете, будет проще, если вам придется выбирать только правду или ложь? Узнайте, что вы знаете о науке, с помощью этого сложного теста.
Ядро
В самом центре Галактики находится замечательный объект — массивная черная дыра, окруженная аккреционным диском из высокотемпературного газа. Ни центральный объект, ни какой-либо материал непосредственно вокруг него нельзя наблюдать в оптическом диапазоне из-за толстого экрана промежуточной пыли в Млечном Пути. Однако этот объект легко обнаружить в радиодиапазоне, и радиоастрономы назвали его Стрельцом A*. В чем-то похожее на центры активных галактик (см. ниже), хотя и в меньшем масштабе, галактическое ядро является местом широкого диапазона активности, очевидно, вызванной черной дырой. Из области исходит инфракрасное излучение и рентгеновские лучи, и там можно наблюдать быстро движущиеся газовые облака. Данные убедительно указывают на то, что материал втягивается в черную дыру из-за пределов ядерной области, включая некоторое количество газа в направлении z (то есть перпендикулярно галактической плоскости). Когда газ приближается к черной дыре, сильная гравитационная сила центрального объекта сжимает газ в быстро вращающийся диск, который простирается наружу примерно на 5–30 световых лет от черной дыры. Измерения вращения диска и орбитального движения звезд (наблюдаемые в инфракрасном диапазоне) показывают, что масса черной дыры более чем в 4 000 000 раз превышает массу Солнца. (За инфракрасные наблюдения, которые установили, что Стрелец A* является черной дырой, американский астроном Андреа Гез и немецкий астроном Рейнхард Генцель были удостоены Нобелевской премии по физике 2020 года.)
Космический источник радиоволн Стрелец A*, изображение, полученное рентгеновской обсерваторией Чандра. Стрелец A*, чрезвычайно яркий точечный источник в более крупном комплексе Стрелец A, представляет собой черную дыру в центре Галактики Млечный Путь.
Центральная выпуклость
Ядро окружено протяженным скоплением звезд почти сферической формы, состоящим в основном из звезд населения II, хотя они относительно богаты тяжелыми элементами. (Объяснение звезд Населения II см. в см. Звезды и звездное население.) Со звездами смешано несколько шаровых скоплений подобных звезд, и звезды, и скопления имеют почти радиальные орбиты вокруг ядра. Звезды выпуклости можно увидеть оптически, когда они возвышаются над заслоняющей пылью галактической плоскости.
Изображение центра Галактики Млечный Путь, полученное в результате наблюдений с помощью инфракрасного астрономического спутника (IRAS). Выпуклость в полосе является центром Галактики. Желтые и зеленые пятна и капли — это гигантские облака межзвездного газа и пыли. Самый теплый материал выглядит синим, а более холодный — красным. IRAS был запущен 25 января 1983 г.
Диск
С расстояния наиболее заметной частью Галактики будет диск, который простирается от ядра примерно на 75 000 световых лет. Галактика напоминает другие спиральные системы, демонстрируя яркое плоское расположение звезд и газовых облаков, раскинувшееся по всей ее поверхности и отмеченное спиральной структурой. Диск можно рассматривать как основное тело звезд, на которое наложены рукава. Толщина этого тела составляет примерно одну пятую его диаметра, но разные компоненты имеют разную характеристическую толщину. Самый тонкий компонент, часто называемый «тонким диском», включает в себя пыль, газ и самые молодые звезды, а более толстый компонент, «толстый диск», включает несколько более старых звезд.
Спиральные рукава
Астрономы не знали, что Галактика имеет спиральную структуру, до 1953 года, когда впервые были надежно получены расстояния до звездных ассоциаций. Из-за заслоняющей межзвездную пыль и внутреннего расположения Солнечной системы спиральную структуру очень трудно обнаружить оптически. Эту структуру легче различить по радиокартам либо нейтрального водорода, либо молекулярных облаков, поскольку и то, и другое можно обнаружить через пыль. Расстояния до наблюдаемых нейтральных атомов водорода должны оцениваться на основе измеренных скоростей, используемых совместно с кривой вращения Галактики, которую можно построить на основе измерений, сделанных на разных галактических долготах.
Карта долготы и скорости Галактики Млечный Путь, показанная спектральной линией излучения монооксида углерода в молекулярных облаках. Вертикальная ось представляет скорость, а горизонтальная ось – долготу. Плавные изгибы в левой и правой частях карты очерчивают спиральные рукава Галактики Млечный Путь. Вертикальная структура в середине карты — это центр Галактики. Излучение, протянувшееся от верхнего левого угла до нижнего правого в средней части карты, представляет собой «молекулярное кольцо», кольцо из газа и пыли на орбите между 4 и 8 килопарсеками от центра Галактики.
Из исследований других галактик можно показать, что спиральные рукава обычно имеют форму логарифмической спирали, так что log r = a − b ϕ, где ϕ — позиционный угол, измеренный от центра до крайней точки рукава, r — расстояние от центра галактики, а a и b являются константами. Диапазон углов тангажа для галактик составляет от примерно 50° до примерно 85°. Угол закрутки постоянен для любой данной галактики, если она следует истинной логарифмической спирали. Угол наклона спиральных рукавов Галактики трудно определить по ограниченным оптическим данным, но большинство измерений показывают значение около 75°. В той части Галактики Млечный Путь, где находится Солнечная система, есть три спиральных рукава.
Теоретическое понимание спиральных рукавов Галактики значительно продвинулось с 1950-х годов, но до сих пор нет полного понимания относительной важности различных эффектов, которые, как считается, определяют их структуру. Общий паттерн почти наверняка является результатом общего динамического эффекта, известного как паттерн волны плотности. Американские астрономы Чиа-Чиао Линь и Франк Х. Шу показали, что спиралевидная форма является естественным результатом любого крупномасштабного нарушения распределения плотности звезд в галактическом диске. Когда рассчитывается взаимодействие звезд друг с другом, обнаруживается, что результирующее распределение плотности принимает спиральный узор, который не вращается вместе со звездами, а скорее движется вокруг ядра медленнее как фиксированный узор. Отдельные звезды на своих орбитах входят в спиральные рукава и выходят из них, временно замедляясь в рукавах и тем самым вызывая увеличение плотности. Для Галактики сравнение данных о нейтральном водороде с расчетами Линя и Шу показало, что скорость узора составляет 4 км/сек на 1000 световых лет.
Были изучены и другие эффекты, влияющие на спиральную форму галактики. Было продемонстрировано, например, что общий спиральный узор возникает просто из-за того, что галактика имеет дифференциальное вращение; т. е. скорость вращения различна на разных расстояниях от галактического центра.Любое возмущение, такое как последовательность событий звездообразования, которые иногда обнаруживаются почти линейными, в конечном итоге приобретут спиралевидную форму просто из-за дифференциального вращения. Например, внешняя спиральная структура в некоторых галактиках может быть результатом приливных столкновений с другими галактиками или галактического каннибализма. Искажения, которые также могут быть включены, являются результатом мощных взрывов, таких как вспышки сверхновых. Однако они, как правило, имеют лишь довольно локальный эффект.
Сферический компонент
Пространство над и под диском Галактики занято малонаселенным продолжением центральной выпуклости. Почти сферическая по форме, эта область населена внешними шаровыми скоплениями, но она также содержит много отдельных звезд поля экстремального Населения II, таких как переменные типа RR Лиры и карликовые звезды с дефицитом тяжелых элементов. Структурно сферический компонент напоминает эллиптическую галактику, подчиняющуюся тому же простому математическому закону изменения плотности по мере удаления от центра.
Огромный ореол
Наименее понятным компонентом Галактики является гигантский массивный ореол, который находится за пределами всей видимой части. О существовании массивного гало свидетельствует его влияние на внешнюю кривую вращения Галактики (см. ниже Масса). Все, что можно сказать с уверенностью, это то, что гало простирается значительно дальше расстояния в 100 000 световых лет от центра и что его масса в несколько раз превышает массу всей остальной Галактики, вместе взятой. Неизвестно, какова его форма, из каких компонентов он состоит и как далеко он простирается в межгалактическое пространство.
Магнитное поле
Когда-то считалось, что спиральная структура галактик может контролироваться сильным магнитным полем. Однако, когда общее магнитное поле было обнаружено с помощью радиотехники, оказалось, что оно слишком слабое, чтобы оказывать крупномасштабное воздействие на галактическую структуру. Сила галактического поля всего лишь примерно в 0,000001 раза превышает напряженность поля Земли на ее поверхности, что слишком мало, чтобы оказывать динамическое воздействие на межзвездный газ, которое могло бы объяснить порядок, представленный структурой спиральных рукавов. Этой силы, однако, достаточно, чтобы вызвать общее выравнивание пылинок в межзвездном пространстве, особенность, обнаруживаемая измерениями поляризации звездного света. В преобладающей модели межзвездных пылинок показано, что частицы быстро вращаются и содержат небольшое количество металла (вероятно, железа), хотя основными составляющими являются лед и углерод. Магнитное поле Галактики может постепенно воздействовать на пылевые частицы и заставлять их оси вращения выстраиваться таким образом, что их короткие оси параллельны направлению поля. Само поле выстраивается вдоль полосы Млечного Пути, так что короткие оси частиц также выстраиваются вдоль галактической плоскости. Поляризационные измерения звезд на низких галактических широтах подтверждают эту закономерность.
Вращение
Движение звезд в ближайшем звездном окружении можно понять с точки зрения общей популяции звезд, которые имеют круговые орбиты вращения вокруг далекого галактического ядра, с примесью звезд, которые имеют более высокие эллиптические орбиты и которые кажутся быть высокоскоростными звездами для земного наблюдателя, поскольку Земля движется вместе с Солнцем по его круговой орбите. Общее вращение звезд диска было впервые обнаружено благодаря исследованиям, проведенным в 1920-х годах, в частности исследованиями шведского астронома Бертила Линдблада, который правильно интерпретировал кажущуюся асимметрию звездных движений как результат этой множественной природы звездных орбитальных характеристик.
Дисковая составляющая Галактики вращается вокруг ядра так же, как планеты Солнечной системы, вращающиеся вокруг Солнца почти по круговой орбите. Поскольку скорость вращения различна на разных расстояниях от центра Галактики, измеренные скорости звезд диска в разных направлениях вдоль Млечного Пути демонстрируют разные закономерности. Голландский астроном Ян Х. Оорт впервые интерпретировал этот эффект с точки зрения галактического вращения, используя лучевые скорости и собственные движения звезд. Он продемонстрировал, что дифференциальное вращение приводит к систематическому изменению лучевых скоростей звезд с галактической долготой в соответствии с математическим выражением лучевая скорость = Ar sin 2l, где A называется постоянной Оорта и составляет приблизительно 15 км/сек/килопарсек (1 килопарсек равен 3260 световым годам), r — расстояние до звезды, l – галактическая долгота.
Аналогичное выражение можно вывести для измеренного собственного движения звезд. Согласие данных наблюдений с формулами Оорта явилось знаковой демонстрацией правильности представлений Линдблада о движении звезд.Это привело к современному пониманию Галактики как состоящей из гигантского вращающегося диска с наложенными на него другими, более сферическими и более медленно вращающимися компонентами.
Общая масса Галактики, которая казалась достаточно достоверной в 1960-х годах, стала предметом значительной неопределенности. Измерение массы на расстоянии до самых дальних больших водородных облаков — относительно простая процедура. Требуемые измерения - это скорости и положения нейтрального газообразного водорода в сочетании с приближением, что газ вращается по почти круговым орбитам вокруг центра Галактики. Строится кривая вращения, которая связывает круговую скорость газа с его расстоянием от центра галактики. Форма этой кривой и ее значения определяются величиной гравитационного притяжения, которое Галактика оказывает на газ. Скорости в центральных частях системы низкие, потому что внутри орбиты газа находится не так много массы; большая часть Галактики находится снаружи и не оказывает внутреннего гравитационного притяжения. Скорости высоки на промежуточных расстояниях, потому что в этом случае большая часть массы находится внутри орбиты газовых облаков, а гравитационное притяжение внутрь максимально. На самых дальних расстояниях скорости уменьшаются, потому что почти вся масса находится внутри облаков. Считается, что эта часть Галактики имеет кеплеровы орбиты, так как материя должна двигаться так же, как немецкий астроном Иоганн Кеплер открыл движение планет внутри Солнечной системы, где практически вся масса сосредоточена внутри орбит орбитальных орбит. тела. Затем общая масса Галактики находится путем построения математических моделей системы с различным количеством вещества, распределенного по-разному, и путем сравнения полученных кривых скорости с наблюдаемой. Примененная в 1960-х годах, эта процедура показала, что общая масса Галактики примерно в 200 миллиардов раз превышает массу Солнца.
Однако в 1980-х годах уточнения в определении кривой скорости начали ставить под сомнение более ранние результаты. Было обнаружено, что нисходящая тенденция к снижению скоростей во внешних частях Галактики ошибочна. Вместо этого кривая оставалась почти постоянной, что указывает на то, что по-прежнему остается значительное количество вещества вне измеряемого газообразного водорода. Это, в свою очередь, указывает на то, что там должен быть какой-то необнаруженный материал, который является совершенно неожиданным. Он должен значительно выходить за ранее принятые положения края Галактики и должен быть темным практически на всех длинах волн, поскольку остается незамеченным даже при поиске с помощью радио-, рентгеновских, ультрафиолетовых, инфракрасных и оптических телескопов. Пока не идентифицирована темная материя и не определено ее распределение, невозможно будет измерить общую массу Галактики, поэтому все, что можно сказать, это то, что масса по крайней мере в несколько сотен миллиардов, а возможно, и в один триллион раз больше массы Солнце.
Природа темной материи в Галактике остается одним из главных вопросов галактической астрономии. Многие другие галактики, по-видимому, также имеют такое необнаруженное вещество. В 1990-х годах астрономы провели исчерпывающие эксперименты по линзированию, включающие изучение миллионов звезд в центральных областях галактики и в Магеллановых Облаках для поиска темных объектов, массы которых могли бы вызвать линзовое увеличение яркости фоновых звезд. Были обнаружены некоторые события линзирования, но предполагаемого количества темных объектов недостаточно, чтобы полностью объяснить темную материю в галактиках и скоплениях галактик. Вполне вероятно, что темная материя состоит из какой-то неоткрытой частицы, такой как вимп (слабо взаимодействующая массивная частица).
Галактики — это огромные космические острова, состоящие из звезд, газа, пыли и темной материи, удерживаемые вместе гравитацией. Острый глаз Хаббла выявил сложные детали формы, структуры и истории галактик — будь то поодиночке, в составе небольших групп или в составе огромных скоплений. Эти открытия, от сверхмассивных черных дыр в галактических центрах до гигантских вспышек звездообразования и титанических столкновений между галактиками, позволяют астрономам исследовать текущие свойства галактик, а также изучать, как они формировались и развивались с течением времени.
Что такое галактика?
Галактики представляют собой скопления звезд, газа, пыли и темной материи. Они бывают разных форм и размеров. Некоторым суждено столкнуться, например, Млечному Пути и Андромеде. Авторы и права: НАСА и Дж. Олмстед (STScI)
Типы галактик
Какие виды галактик существуют?
Астрономы делят галактики на три основные категории: эллиптические, спиральные и неправильные.Эти галактики бывают самых разных размеров: от карликовых галактик, содержащих всего лишь 100 миллионов звезд, до гигантских галактик, содержащих более триллиона звезд.
Эллиптические галактики, на которые приходится около трети всех галактик, имеют форму от почти круглой до очень вытянутой. Они обладают сравнительно небольшим количеством газа и пыли, содержат более старые звезды и больше не образуют активных звезд. Самые большие и самые редкие из них, называемые гигантскими эллиптическими, имеют диаметр около 300 000 световых лет. Астрономы предполагают, что они образуются в результате слияния более мелких галактик. Гораздо чаще встречаются карликовые эллиптические тела, ширина которых составляет всего несколько тысяч световых лет.
Спиральные галактики выглядят как плоские сине-белые диски из звезд, газа и пыли с желтоватыми выпуклостями в центре. Эти галактики делятся на две группы: обычные спирали и спирали с перемычкой. В спиралях с перемычкой полоса звезд проходит через центральную выпуклость. Рукава спиралей с перемычкой обычно начинаются на конце перемычки, а не от утолщения. Спирали активно формируют звезды и составляют большую часть всех галактик в локальной вселенной.
Неправильные галактики с очень небольшим количеством пыли не имеют ни дисковой, ни эллиптической формы. Астрономы часто видят неправильные галактики, заглядывая глубоко во Вселенную, что эквивалентно оглядыванию назад во времени. Этих галактик было много в ранней Вселенной, до того, как появились спиральные и эллиптические галактики.
Помимо этих трех классических категорий, астрономы также выявили множество галактик необычной формы, которые, по-видимому, находятся в переходной фазе галактического развития. К ним относятся те, которые находятся в процессе столкновения или взаимодействия, а также те, у которых активные ядра выбрасывают струи газа.
На этом рисунке сравниваются изображения трех основных типов галактик (вверху) с реальными фотографиями галактик (внизу), которые соответствуют категориям. Авторы и права: А. Фейлд (STScI)
Темная материя
Что такое темная материя?
В конце 1970-х астроном Вера Рубин неожиданно открыла темную материю. Она изучала вращение галактик, когда поняла, что огромная спиральная Галактика Андромеды, казалось, вращается странно. В явном нарушении законов Ньютона и Кеплера вещество на краях галактики двигалось так же быстро, как и вещество вблизи центра, хотя большая часть массы, которую она могла видеть, была сосредоточена в центре. Некоторая дополнительная невидимая масса, получившая название темной материи, по-видимому, удерживает галактику вместе. Вскоре она обнаружила, что огромный ореол темной материи присутствует в галактике за галактикой, которые она исследовала.
Этот подробный вид нашего ближайшего галактического соседа, галактики Андромеды, содержит более 100 миллионов разрешенных звезд и тысячи звездных скоплений. Панорама простирается от центральной выпуклости галактики через полосы звезд и пыли к более разреженному внешнему диску. Авторы и права: НАСА, ЕКА, Дж. Далкантон, Б. Ф. Уильямс и Л. К. Джонсон (Вашингтонский университет), команда PHAT и Р. Гендлер СООБЩЕНИЕ ДЛЯ НОВОСТЕЙ: 2015-02 >
Спустя почти полвека ученые до сих пор не знают, что такое темная материя. Однако они знают, что темная материя составляет около 84 процентов материала Вселенной. Его невидимое и вездесущее присутствие влияет на то, как звезды движутся внутри галактик, как галактики тянут друг друга и как материя сгущается вместе в ранней Вселенной.
Одним из лучших доказательств существования темной материи является скопление галактик 1E 0657-556, также известное как скопление Пуля. Это скопление образовалось после столкновения двух больших скоплений галактик, самого энергичного события, известного во Вселенной со времен Большого взрыва. Поскольку основные компоненты пары скоплений — звезды, газ и кажущаяся темная материя — ведут себя во время столкновения по-разному, ученые смогли изучить их по отдельности.
Звезды галактик, которые телескопы Хаббл и Магеллан наблюдали в видимом свете, почти не пострадали от столкновения и прошли насквозь. Горячий газ от двух сталкивающихся скоплений, наблюдаемый рентгеновской обсерваторией Чандра в рентгеновском диапазоне, содержит большую часть обычного вещества пары скоплений. Поскольку газы взаимодействуют электромагнитным образом, газы обоих скоплений замедлились гораздо больше, чем звезды. Третий элемент в этом столкновении, темная материя, был обнаружен косвенно с помощью гравитационного линзирования фоновых объектов.
Темная материя по определению не взаимодействует электромагнитным образом (т.е., со светом) – темно! Таким образом, во время столкновения сгустки темной материи из двух скоплений тихо скользят друг мимо друга, как и звезды, оставляя горячий газ (большую часть обычной материи) позади. Гравитационное линзирование осталось с темной материей, а не с газом. Если бы горячий газ был самым массивным компонентом в скоплениях, такого эффекта не было бы видно. Вместо этого наблюдения кажутся первым прямым доказательством существования темной материи.
Скопление Пуля образовалось в результате столкновения двух больших скоплений галактик. Горячий газ, обнаруженный «Чандрой» в рентгеновском излучении, виден на изображении в виде двух розовых сгустков и содержит большую часть «нормального», или барионного, вещества в двух скоплениях. Сгусток в форме пули справа — это горячий газ из одного скопления, который во время столкновения прошел через горячий газ из другого, большего скопления. Оптическое изображение, полученное телескопами Хаббл и Магеллан, показывает галактики оранжевым и белым цветом. Синие области на этом изображении показывают, где астрономы находят большую часть массы в скоплениях. Большая часть материи в скоплениях (синяя) явно отделена от обычной материи (розовая), что прямо указывает на то, что почти вся материя в скоплениях темная. Авторы и права: Рентген: NASA/CXC/M.Markevitch et al.; Оптика: NASA/STScI; Magellan/U.Arizona/D.Clowe и др.; Карта линз: NASA/STScI; ЭСО ВФИ; Magellan/U.Arizona/D.Clowe et al. НОВОСТИ: 2006-39 >
Столкновения галактик
Могут ли галактики сталкиваться?
Расстояния между галактиками кажутся большими, но и диаметры галактик тоже. По сравнению со звездами галактики расположены относительно близко друг к другу. Они взаимодействуют и даже сталкиваются. Когда галактики сталкиваются, они проходят друг через друга; их звезды не врезаются друг в друга из-за огромных расстояний между ними. Однако гравитационные взаимодействия между сталкивающимися галактиками могут создать новые волны звездообразования, сверхновых и даже черных дыр. Столкновения действительно искажают форму галактики, и компьютерные модели показывают, что столкновения между спиральными галактиками могут в конечном итоге привести к образованию эллиптических галактик.
Этот небесный огненный шторм — пылающие обломки столкновения двух спиральных галактик, которое началось несколько сотен миллионов лет назад. Столкновение стянуло темную пыль в длинные нити, протянувшиеся через галактики. Он также сжал огромные облака газа и пыли, вызвав бурное образование новых звезд в галактиках. Авторы и права: НАСА, ЕКА и группа наследия Хаббла (STScI/AURA) — сотрудничество ЕКА и Хаббла СООБЩЕНИЕ ДЛЯ НОВОСТЕЙ: 2006–46 >
Через четыре миллиарда лет нашей галактике Млечный Путь суждено столкнуться с соседней спиральной галактикой Андромеды. Солнце, скорее всего, будет отброшено в новый регион нашей галактики, но Земле и Солнечной системе ничего не угрожает. Андромеда, также известная как M31, сейчас находится на расстоянии 2,5 миллиона световых лет от нас, но она неуклонно падает в сторону Млечного Пути под действием взаимного притяжения двух галактик и невидимой темной материи, которая их окружает.
Компьютерное моделирование, основанное на данных Хаббла, показывает, что взаимодействующим галактикам потребуется еще два миллиарда лет или больше после встречи, чтобы они полностью слились под действием гравитации. Они превратятся в единую эллиптическую галактику, подобную той, что обычно наблюдается в локальной вселенной. Моделирование показывает, что наша Солнечная система, вероятно, будет отброшена намного дальше от галактического ядра, чем сегодня.
Чтобы усложнить ситуацию, третья по величине галактика в Местной группе, галактика Треугольника или M33, присоединится к столкновению и, возможно, позже сольется с парой Андромеды/Млечного Пути. Есть небольшой шанс, что М33 первой столкнется с Млечным Путем.
На этой иллюстрации изображено ночное небо через 3,75 миллиарда лет, когда приближается галактика Андромеды. В этот момент Андромеда заполняет поле зрения, и Млечный Путь начинает демонстрировать искажения из-за притяжения Андромеды. Авторы и права: НАСА, ЕКА, З. Левей и Р. ван дер Марел (STScI), Т. Халлас и А. Меллингер. ВЫПУСК НОВОСТЕЙ: 2012–2020 >
< /p>
Представление художника о центральной области активной галактики. (Источник: НАСА/Лаборатория концептуальных изображений Центра космических полетов имени Годдарда)
Активные галактики – это галактики с небольшим эмиссионным ядром, встроенным в центр типичной галактики. Это ядро обычно очень изменчиво и очень ярко по сравнению с остальной частью галактики.
Для обычных галактик мы думаем об общей энергии, которую они излучают, как сумму излучения каждой из звезд, находящихся в галактике, но в случае активных галактик это неверно. В активных галактиках излучается намного больше энергии, чем должно быть, и эта избыточная энергия обнаруживается в инфракрасном, радио, ультрафиолетовом и рентгеновском диапазонах электромагнитного спектра. Энергия, излучаемая активной галактикой, сокращенно AGN, совсем ненормальна. Так что же происходит в этих галактиках, чтобы производить такой энергетический выход?
Большинство, если не все, обычные галактики имеют в центре сверхмассивную черную дыру. В активной галактике ее сверхмассивная черная дыра аккрецирует материал из плотной центральной области галактики. Когда материал падает на черную дыру, угловой момент заставит его закручиваться по спирали и формировать диск. Этот диск, называемый аккреционным диском, нагревается из-за действующих сил гравитации и трения.
< /p>
На этой иллюстрации показаны различные особенности активного галактического ядра (АЯГ). Чрезвычайная яркость АЯГ обусловлена аккрецией сверхмассивной черной дыры. У некоторых AGN есть струи, а у других нет. (Источник: Аврора Симоннет, Государственный университет Сономы)
Модели активных галактик также включают область холодного газа и пыли, которая, как считается, имеет форму гигантского бублика с черной дырой и аккреционным диском, расположенными в отверстии бублика. Примерно в одном из десяти АЯГ черная дыра и аккреционный диск производят узкие пучки энергичных частиц и выбрасывают их наружу в противоположных направлениях от диска. Эти струи, возникающие почти со скоростью света, становятся мощным источником излучения радиоволн.
Свойства активной галактики определяются массой черной дыры, скоростью аккреции на черную дыру, наличием у нее мощного джета и углом, под которым мы рассматриваем галактику. Радиогалактики, квазары и блазары представляют собой АЯГ с сильными джетами, которые могут распространяться в большие области межгалактического пространства. Некоторые очевидные различия между типами AGN связаны с нашей разной ориентацией по отношению к диску. С блазарами и квазарами мы смотрим вниз по струе.
Активные галактики интенсивно изучаются на всех длинах волн. Поскольку они могут изменять свое поведение в короткие промежутки времени, полезно изучать их одновременно при всех энергиях. Рентгеновские и гамма-наблюдения оказались важными частями этого многоволнового подхода, поскольку многие высокоэнергетические квазары излучают большую часть своей мощности при таких энергиях. Рентгеновские лучи в AGN исходят очень близко от черной дыры, поэтому рентгеновские исследования могут дать ученым уникальную информацию о физических процессах, происходящих в центральном двигателе. Кроме того, только наблюдения гамма-излучения могут предоставить ценную информацию о природе ускорения частиц в джете квазара и понять, как частицы взаимодействуют с окружающей средой.
На левом изображении показан составной оптический и радиовид эллиптической галактики NGC 4261 с земли. На снимке в видимом свете (белый цвет) галактика выглядит как нечеткий диск из сотен миллиардов звезд. Радиоизображение (оранжевое) показывает пару противоположных струй, исходящих из ядра и простирающихся на расстояние 88 000 световых лет.
На изображении справа показано изображение ядра NGC 4261, полученное космическим телескопом Хаббла. Гигантский диск из холодного газа и пыли имеет диаметр около 300 световых лет и может подпитывать возможную черную дыру в ядре галактики. Диск наклонен достаточно (около 60 градусов), чтобы дать астрономам четкое представление о его ярком центре, в котором предположительно находится черная дыра. (Источник: NRAO, Калифорнийский технологический институт, Уолтер Джаффе/Лейденская обсерватория, Холланд Форд/JHU/STScI и НАСА)
Галактика Млечный Путь — наш космический дом. Мы живем в золотую эру исследований Млечного Пути.
Движение звезд в галактике Млечный Путь в ближайшие 400 тысяч лет на основе данных европейской миссии Gaia. (Изображение предоставлено ЕКА)
- Какова структура Млечного Пути?
- Где мы находимся в Млечном Пути?
- Сколько лет Млечному Пути?
- Как образовался Млечный Путь?
- Будущее исследований Млечного Пути
- Дополнительные ресурсы
Изучать Млечный Путь раньше было очень сложно. Астрономы иногда сравнивают свои усилия с попыткой описать размер и структуру леса, теряясь посреди него. С нашего положения на Земле нам просто не хватает обзора. Но два новаторских космических телескопа, запущенных с 1990-х годов, помогли открыть золотой век исследований Млечного Пути. Были достигнуты значительные успехи, особенно после запуска в 2013 году миссии Gaia Европейского космического агентства (ЕКА).
Млечный Путь, видимый в ночном небе (где позволяет световое загрязнение) в виде завораживающей светящейся полосы звезд и пыли, очаровывал людей на протяжении тысячелетий. Попытки нанести на карту галактику восходят к Древней Греции. Но только в 1920-х годах астрономы поняли, что Млечный Путь — лишь одна из многих галактик, населяющих вселенную. До этого большинство считало, что Млечный Путь и Вселенная едины.
Американский астроном Эдвин Хаббл, в честь которого был назван знаменитый космический телескоп, разгадал тайну, когда ему удалось определить расстояние до Андромеды туманность. Этот нечеткий объект, известный с 18 века, изначально считался просто звездой другого типа в Млечном Пути. Но наблюдения Хаббла доказали, что Андромеда была слишком далеко и фактически была отдельной галактикой, как и Млечный Путь. С тех пор астрономы узнали, что Андромеда однажды приведет к концу нашей галактики, какой мы ее знаем, когда они столкнутся примерно через 4–5 миллиардов лет.
Со времен Хаббла астрономы выяснили, что во Вселенной существуют миллиарды галактик различных форм и размеров. И они добились больших успехов в изучении Млечного Пути.
Млечный Путь: насколько он велик и какова его структура?
– Тип галактики: спиральная
– Возраст: 13,6 млрд лет (и продолжает расти)
– Размер: 100 000 световых лет в поперечнике
– Количество звезд: около 200 млрд
– Время вращения: 230 миллионов лет
Наша галактика Млечный Путь имеет диаметр около 100 000 световых лет и представляет собой спиральную галактику по своей структуре.
Улучшение технологии телескопов позволило астрономам различать основную форму и структуру некоторых из ближайших галактик до того, как они поняли, что смотрят на галактики. Но воссоздание формы и структуры нашего собственного галактического дома было медленным и утомительным. Процесс включал создание каталогов звезд, нанесение на карту их положения на небе и определение того, насколько далеко они находятся от Земли.
Голландский астроном Ян Оорт, которого иногда называют знатоком галактической системы, первым понял, что Млечный Путь не неподвижен, а вращается, и рассчитал скорости, с которыми звезды на разных расстояниях вращаются вокруг галактического центра. Также Оорт определил положение нашего солнца в огромной галактике. (Облако Оорта, хранилище триллионов комет вдали от Солнца, было названо в его честь.)
Постепенно сложилась сложная картина спиральной галактики, которая кажется вполне обычной.
В центре Млечного Пути находится сверхмассивная черная дыра под названием Стрелец A*. Открытую в 1974 году черную дыру с массой, равной массе четырех миллионов солнц, можно наблюдать в небе с помощью радиотелескопов вблизи созвездия Стрельца.
Все остальное в галактике вращается вокруг этих мощных врат в небытие. В непосредственной близости от него находится плотно упакованная область пыли, газа и звезд, называемая галактической выпуклостью. По данным ЕКА, в случае Млечного Пути эта выпуклость имеет форму арахиса и имеет диаметр 10 000 световых лет. В ней находится 10 миллиардов звезд (из 200 миллиардов Млечного Пути), в основном старых красных гигантов, сформировавшихся на ранних стадиях эволюции галактики.
За выпуклостью простирается галактический диск. Эта особенность составляет 100 000 световых лет в поперечнике и 1000 световых лет в толщину, и в ней находится большинство звезд галактики, включая наше Солнце. Звезды диска рассеяны в облаках звездной пыли и газа. Когда мы смотрим на небо ночью, от вида этого диска с ребра, простирающегося к центру галактики, у нас перехватывает дыхание.
Структура галактики Млечный Путь, вид сверху на галактический диск. (Изображение предоставлено: NASA/Adler/U. Chicago/Wesleyan/JPL-Caltech)
Звезды в диске вращаются вокруг галактического центра, образуя закрученные потоки, которые, кажется, исходят из галактической выпуклости, как рукава.Исследования механизмов, приводящих в движение создание спиральных рукавов, все еще находятся в зачаточном состоянии, но последние исследования показывают, что эти рукава формируются и рассеиваются в течение относительно коротких периодов времени до 100 миллионов лет (в 13 миллиардов лет эволюции галактики).
Внутри этих рукавов звезды, пыль и газ упакованы более плотно, чем в менее заполненных областях галактического диска, и эта повышенная плотность вызывает более интенсивное звездообразование. В результате звезды в галактическом диске, как правило, намного моложе звезд в балдже.
"Спиральные рукава похожи на автомобильные пробки: газ и звезды собираются вместе и движутся в рукавах медленнее. По мере того как материал проходит через плотные спиральные рукава, он сжимается, что приводит к усилению звездообразования", – Денилсо Камарго из Федеральный университет Риу-Гранди-ду-Сул в Бразилии, говорится в заявлении.
В настоящее время Млечный Путь имеет четыре спиральных рукава. Есть два основных рукава — Персей и Щит-Центавр — и Стрелец и Местный Рукав, которые менее выражены. Ученые до сих пор обсуждают точное положение и форму этих рукавов, используя данные Gaia.
Диск не плоский, а искривленный. По данным ESA, во время вращения он прецессирует, как качающийся волчок. Это колебание, по существу гигантская рябь, вращается вокруг галактического центра гораздо медленнее, чем звезды на диске, совершая полный оборот примерно за 600–700 миллионов лет (для сравнения, нашему солнцу требуется 230 миллионов лет, чтобы совершить один оборот). Астрономы считают, что эта рябь может быть результатом прошлого столкновения с другой галактикой.
Вокруг диска и выпуклости разбросаны шаровые скопления, скопления древних звезд, а также примерно 50 карликовых галактик, которые либо вращаются вокруг более крупного Млечного Пути, либо сталкиваются с ним.
Структура Млечного Пути с его вращающимся искривленным галактическим диском. (Изображение предоставлено Стефаном Пейном-Варденааром; врезка: NASA/JPL-Caltech; макет: ЕКА)
Все это окружено сферическим ореолом из пыли и газа, который в два раза шире диска. Астрономы считают, что вся галактика окружена еще большим ореолом невидимой темной материи. Поскольку темная материя не излучает никакого света, о ее присутствии можно судить только косвенно по ее гравитационному влиянию на движение звезд в галактике. Расчеты показывают, что это загадочное вещество составляет до 90% массы галактики.
По последним оценкам, масса Млечного Пути, включая темную материю, составляет 1,5 триллиона масс Солнца. Видимая материя галактики распределена между 200 миллиардами звезд, их планетами и массивными облаками пыли и газа, заполняющими межзвездное пространство.
Где находится солнце на Млечном Пути?
Завораживающая светящаяся полоса Млечного Пути веками поражала человечество. (Изображение предоставлено: Фото Кендалла Хупса из Pexels)
Для нас на Земле солнце драгоценно и незаменимо. Без его света и тепла большая часть жизни на Земле была бы невозможна. Но с галактической точки зрения Солнце — всего лишь одна (довольно обычная) звезда из 200 миллиардов.
Солнце вращается на расстоянии около 26 000 световых лет от черной дыры Стрелец A*, примерно в середине галактического диска. Путешествуя со скоростью 515 000 миль в час (828 000 км в час), Солнцу требуется 230 миллионов лет, чтобы совершить полный оборот вокруг галактического центра. Это означает, что в последний раз, когда наша планета находилась в том же самом месте в галактике, что и сегодня, именно динозавры были поражены ее усеянными звездами просторами.
Солнце находится у края Местного рукава Млечного Пути, одного из двух меньших спиральных рукавов галактики. В 2019 году, используя данные миссии Gaia, астрономы обнаружили, что Солнце, по сути, скользит по волне межзвездного газа длиной 9000 световых лет, шириной 400 световых лет и волнами на высоте 500 световых лет над ниже галактического диска.
Планеты солнечной системы вращаются не в плоскости галактики, а наклонены примерно на 63 градуса.
Сколько лет Млечному Пути?
Астрономы считают, что Млечному Пути около 13,6 миллиарда лет, что всего на 200 миллионов лет моложе Вселенной.
Эволюция галактики началась, когда облака газа и пыли начали разрушаться под действием гравитации. Из схлопнувшихся облаков выросли первые звезды, те, что мы видим сегодня в шаровых скоплениях. Вскоре после этого появилось сферическое гало, за которым последовал плоский галактический диск. Галактика начиналась с малого и росла по мере того, как неизбежная сила гравитации стягивала все воедино. Однако эволюция галактики до сих пор окутана тайной.
Наша дисциплина под названием галактическая археология медленно разгадывает некоторые загадки жизни Млечного Пути благодаря миссии Gaia, которая опубликовала свой первый каталог данных в 2018 году.
Gaia измеряет точное положение и расстояние до 1 миллиарда звезд, а также спектры их свечения, что позволяет ученым понять состав и возраст звезд. Данные о положении позволяют астрономам определять скорости и направления движения звезд в космосе. Поскольку вещи в космосе следуют предсказуемым траекториям, астрономы могут реконструировать пути звезд на миллиарды лет в прошлое и будущее. Объединение этих реконструированных траекторий в один звездный фильм отражает эволюцию галактики на протяжении тысячелетий.
Как образовался Млечный Путь?
Около 50 карликовых галактик вращаются вокруг Млечного Пути, которым суждено быть поглощенными в будущем. (Изображение предоставлено ЕКА)
В этом фильме появились потрясающие идеи, показывающие, как галактика росла в результате столкновений между меньшими галактиками на протяжении миллиардов лет.
В 2018 году группа голландских астрономов обнаружила группу из 30 000 звезд, синхронно движущихся по окрестностям Солнца в направлении, противоположном остальным звездам в наборе данных. Картина движения соответствовала тому, что ученые ранее наблюдали при компьютерном моделировании галактических столкновений.
Эти звезды также различались по цвету и яркости, что свидетельствовало о том, что они произошли из другой галактики.
Год спустя были обнаружены следы другого, чуть более молодого столкновения. Млечный Путь продолжает поглощать более мелкие галактики и по сей день. Галактика под названием Стрелец (не путать с черной дырой) в настоящее время вращается вокруг Млечного Пути и, вероятно, пробивала его диск несколько раз за последние 7 миллиардов лет. Используя данные Gaia, ученые обнаружили, что эти столкновения вызвали периоды интенсивного звездообразования в Млечном Пути и могут даже иметь какое-то отношение к фирменной спиральной форме галактики. Исследование предполагает, что наше Солнце родилось в один из этих периодов около 4,6 миллиарда лет назад.
Будущее исследований Млечного Пути
С начала своей работы миссия Gaia представила три обновления своего массивного звездного каталога. Астрономы со всего мира продолжают анализировать данные в поисках новых закономерностей и открытий. Фактически, данные Gaia в настоящее время генерируют больше исследовательских работ, чем даже знаменитый космический телескоп Хаббла. В недавнем «турнире космических телескопов» — шутливом опросе, проведенном астрономами в Твиттере, — Гайя победила ветерана Хаббла на пять голосов как нынешнего любимца астрономического сообщества.
Gaia будет составлять карты галактики как минимум до 2022 года, а составленный ею каталог займет астрономов на десятилетия вперед.
До Gaia самый большой набор данных о положении и расстоянии до звезд в Млечном Пути был получен из миссии Hipparcos в честь древнегреческого астронома, который начал составлять карты ночного неба за 150 лет до Рождества Христова. Гиппаркос видел только около 100 000 самых ярких звезд в окрестностях Солнца, по сравнению с одним миллиардом Гайи. Данные также были менее точными.
Несмотря на то, что Gaia видит менее 1 % звезд в галактике, астрономы могут расширить ее выводы и смоделировать поведение всего Млечного Пути.
Дополнительные ресурсы
-
от Европейского космического агентства (ЕКА) из миссии ЕКА Gaia.
- Обзор галактики Млечный Путь НАСА от ЕКА
Подпишитесь на рассылку новостей по электронной почте
Узнавайте последние новости о космосе и последние новости о запусках ракет, наблюдениях за небом и многом другом!
Спасибо, что подписались на Space. Вскоре вы получите электронное письмо с подтверждением.
Возникла проблема. Обновите страницу и повторите попытку.
Отправляя свою информацию, вы соглашаетесь с Условиями использования и Политикой конфиденциальности и вам исполнилось 16 лет.
Читайте также: