Embed Size (px)
Citation preview
Астрономия
Преподаватель Романова Елена Ивановна
День недели четверг, 23 апреля 2020 года
Группа ТП 19-1
Начало занятия: 12-40- 14-15
Срок выполнения задания: четверг, 23 апреля 2020 года до 18.00
Электронный почта преподавателя: [email protected]
Обратная связь с преподавателем: В ЛИЧНЫЕ СООБЩЕНИЯ VK, 89082610272
Тема занятия
«Эволюция звезд»
ЦЕЛЬ: формирование осознания роли отечественной науки в освоении и
использовании космического пространства и развитии международного сотрудничества в
этой области сформированность собственной позиции по отношению к физической
информации, получаемой из разных источников
Инструкция:
Тест состоит из 21 вопрос.
Тест выполняется на отдельном листе. На лист заносятся Ф.И.О., номер группы, номера
заданий и соответствующие им обозначения правильных ответов.
При оценивании теста не будут засчитаны ответы, имеющие исправления.
Время выполнения теста 45 минут.
Тест по теме «Эволюция звезд»
1. Если звезды нанести на диаграмму «спектр-светимость» (диаграмму Герцшпрунга
— Рассела), то большинство из них будет находиться на главной
последовательности. Из этого вытекает, что:
а) на главной последовательности концентрируются самые молодые звезды;
б) продолжительность пребывания на стадии главной последовательности превышает
время эволюции на других стадиях;
в) это является чистой случайностью и не объясняется теорией эволюции звезд;
г) на главной последовательности концентрируются самые старые звезды.
2. Диаграмма Герцшпрунга — Рассела отражает зависимость между:
а) массой и спектральным классом звезды;
б) спектральным классом и радиусом;
в) массой и радиусом;
г) светимостью и эффективной температурой.
3. Огромное сжимающееся холодное газопылевое облако, из которого образуются
звезды, называется:
а) цефеидой;
б) протозвездой;
в) планетарной туманностью;
г) рассеянным скоплением.
4. Звезда после превращения водорода в гелий перемещается на диаграмме
Герцшпрунга — Рассела по направлению:
а) вверх по главной последовательности, к голубым гигантам;
б) от главной последовательности к красным гигантам и сверхгигантам;
в) в сторону низких светимостей;
г) в сторону ранних спектральных классов;
д) звезда любой массы, в процессе эволюции однажды попав на главную
последовательность, от нее не отходит.
5. Область белых карликов на диаграмме Герцшпрунга — Рассела расположена:
а) в верхней левой части диаграммы;
б) в верхней правой части диаграммы;
в) в нижней левой части диаграммы;
г) в нижней правой части диаграммы.
6. Красные гиганты — это звезды:
а) больших светимостей и малых радиусов;
б) больших светимостей и низких температур поверхности;
в) больших температур поверхности и малых светимостей;
г) больших светимостей и высоких температур.
7. Эволюция звезд — это:
а) процесс превращения из протозвезды и последующее постоянное излучение без
изменения светимости;
б) изменение светимости звезды со временем вследствие сильнейших потоков вещества
типа солнечного ветра;
в) изменение химического состава и внутреннего строения с изменением светимости в
результате реакций термоядерного синтеза;
г) изменение светимости звезды со временем из-за увеличения массы звезды в результате
поглощения межзвездного газа и пыли.
8. Белые карлики, нейтронные звезды и черные дыры являются:
а) типичными звездами главной последовательности;
б) последовательными стадиями эволюции массивных звезд;
в) конечными стадиями звезд различной массы;
г) начальными стадиями образования звезд различной массы.
9. Звезда, состоящая в основном из нейтронов, у которой ядро имеет размеры 10—30
км и массу, близкую к массе Солнца, называется:
а) новой;
б) протозвездой;
в) коллапсаром;
г) нейтронной.
10. Черной дырой является:
а) неизлучающая звезда низкой температуры;
б) солнечное пятно;
в) темная туманность, дыра, на фоне ярких звезд, через которую не проходит излучение;
г) коллапсирующая звезда, исчерпавшая ядерные источники энергии.
11. Гигантский взрыв, являющийся финалом эволюции массивной звезды, когда
выделяется энергия, которую Солнце вырабатывает за миллиарды лет,
свидетельствует о появлении:
а) цефеиды;
б) новой звезды;
в) сверхновой звезды;
г) протозвезды.
12. Какие звезды называются новыми:
а) молодые, только начавшие свою эволюцию;
б) однократно вспыхивающие без видимых причин;
в) пульсирующие звезды с большим периодом;
г) вспышка звезды в двойной системе в результате аккреции от звезды-гиганта на белый
карлик?
13. Абсолютная звездная величина М сверхновых звезд заключена в пределах от -14т
до -20т, что соответствует светимости, которая:
а) в сотни раз превышает светимость Солнца;
б) в тысячи раз превышает светимость Солнца;
в) в сотни тысяч раз превышает светимость Солнца;
г) в десятки и сотни миллионов раз превышает светимость Солнца.
14. Что в большей степени определяет характер эволюции звезды:
а) радиус;
б) масса;
в) плотность;
г) спектральный класс;
д) химический состав?
15. В нашей галактике в 1572 г. вспыхнула сверхновая звезда; ее наблюдения
проводил:
а) Галилео Галилей;
б) Тихо Браге;
в) Коперник.
16. В нашей галактике в 1604 г. вспыхнула сверхновая звезда; ее наблюдения
проводил:
а) Галилео Галилей;
б) Исаак Ньютон;
в) Иоганн Кеплер;
г) Тихо Браге.
17. Медленно расширяющаяся Крабовидная туманность, совпадающая с источником
мощного радиоизлучения, является результатом вспышки сверхновой:
а) в 1054 г.;
б) 1572 г.;
в) 1604 г.;
г) 1983 г.
18. По наблюдаемым характеристикам сверхновые принято разделять на две
большие группы: сверхновые I типа и сверхновые II типа. В спектрах сверхновых I
типа нет линий водорода, что может свидетельствовать:
а) о том, что взрыв происходит в звездах, лишенных оболочки, богатой водородом,
например, взрыв белого карлика, входящего в состав двойной системы;
б) взрыв происходит в звездах, у которых с момента рождения (со стадии протозвезды) не
было водорода.
19. Спектры сверхновых II типа имеют водородные линии; их кривые блеска сильно
различаются по скорости спада. Это соответствует:
а) концу термоядерной эволюции массивной звезды с массой больше 8 М0;
б) конечной стадии эволюции звезд с массой М@;
в) конечной стадии эволюции белых карликов;
г) конечной стадии эволюции звезд с массами от 3 до 8 солнечных.
20. Вспышка сверхновой II типа соответствует катастрофическому взрыву:
а) молодой массивной звезды;
б) старой маломассивной звезды;
в) белого карлика;
г) коричневого карлика.
21. Из теории эволюции звезд следует, что:
а) положение звезды на диаграмме «спектр-светимость» не зависит от массы звезды;
б) в процессе эволюции все звезды становятся белыми карликами;
в) звезды малой массы эволюционируют быстрее звезд большой массы;
г) звезды в процессе своей эволюции увеличивают массу;
д) одной из стадий эволюции звезд является стадия красного гиганта.
Студент ___________________________________________
группа_________________
СПРАВОЧНЫЙ МАТЕРИАЛ
Тема: Происхождение и эволюция звезд
Интернет ресурсы:
Адреса сайтов:
http://hercules.elte.hu/~frei/galaxy.catalog.html
www.astro.washington.edu
www.ucolick.org/~raja/pressrel.html
http://www.geocities.com/Area51/Corridor/2120/
http://seds.lpl.arizona.edu/messier/more/local.html
http://www.ucolick.org/~raja/AAS193_pressrel_cartoon.gif
– по этим шести адресам можно найти информацию о различных галактиках.
http://www.astro.princeton.edu/~frei/galaxy_catalog.html – каталог фотографий 113
галактик.
http://www.astr.ua.edu/active2.html – фотографии активных галактик.
http://oposite.stsci.edu/pubinfo/distantgalaxies.html – далекие галактики
http://oposite.stsci.edu/pubinfo/nearbygalaxies.html
ЛЕКЦИОННЫЙ МАТЕРИАЛ
1. Крупномасштабная структура Вселенной
1. Кратная система - крупная
галактика со спутниками. Галактики,
подобно звездам, редко бывают
одиночными. Они тяготеют к
объединению. 90% галактик находится в
скоплениях, насчитывающих от десятков
до тысяч галактик. Средний диаметр
скопления 5 Мпк, среднее число галактик
в них не менее 130.
а) Галактика (Млечный путь) - имеет
спутники = спиральные галактики БМО,
ММО, и известны еще 3 спиральных,
более 10 эллиптических и более 20
небольших карликовых галактик.
б) М31 (Туманность Андромеды) -
окружена крупными спутниками M32 и M110 и не менее 20 небольших карликовых галактик.
в) М33 в Треугольнике - спутников пока не найдено.
2. Местная группа (бедные
скопления)
Совокупность галактик, к которой
принадлежит наша Галактика Млечный
Путь, туманность Андромеды (M31) ,
которая является самой большой и
наиболее массивной галактикой и ее
спутники M32 и M110, и спиральная
галактика M33 в созвездии Треугольника,
а также Большое Магелланово Облако,
лежащее вблизи нашей Галактики - это
крупные члены Местной группы. Другие
члены Местной группы - десятки
небольших эллиптических и
неправильных галактик, а также
некоторое количество карликовых
сферических галактик, напоминающих
изолированные шаровые
скопления. Всего в Местной группе
кроме трех основных известны 17
эллиптических, 6 неправильных и
остальные подобие шаровых скоплений
(более 60 членов). Местная группа занимает объем пространства с радиусом около 3 млн. световых лет
(около 1 Мпс). Местная группа движется со скоростью 635 км/с относительно соседних скоплений.
В пределах 16 Мпк имеется около 50 местных групп, подобие нашей. Вот некоторые из них:
IC342/Maffei - с близкая (среднее расстояние около 3.0 Мпк)
Группа M81 - находиться также достаточно близко к МГ, около 3.5 Мпк
Группа M96 (группа Лев I)
Группа M66-триплет в созвездии Льва
3. Местное сверхскопление (сверхскопление Девы, богатое скопление) - скопление
скоплений галактик диаметром около 30 Мпк. Принято разделять МС на: Местный Комплекс галактик,
частью которого является Местная Группа, и скопление галактик в Деве. Местная Группа находиться на
периферии сверхсистемы, на расстоянии примерно 10 Мпк от его центра.
Местный Комплекс, кроме Местной группы входят также близкие группы галактик - IC342/Maffei,
М 81, группа в Гончих Псах, М 101, NGC 5128, а также другие группы, имеющие лучевые скорости менее
чем 500 км/с (что соответствует примерно 7 Мпк). В сумме это 280 галактик (на 1980г, явно не полный
список), включая 255 галактик с Vo < 500 км/с и 25 сфероидальных карликовых галактик с неизвестными
лучевыми скоростями, но являющимся, по всей видимости, спутниками известных близких галактик.
Скопление
галактик в Деве (Virgo Cluster) -
скопление галактик,
расположенное на
расстоянии от 15 до 22
мегапарсек, ближайшее
к Местной группе
крупное скопление.
Оно состоит не менее,
чем из 1300 (скорее
всего, около 2000)
галактик. На
наблюдаемом небе
скопление имеет
угловой размер около
8° с центром в
созвездии Девы,
отсюда название.
Скопление Девы, как и
Местный комплекс,
входит в состав
Местного
сверхскопления
галактик. Скопление в
Деве является доминирующим и определяет барицентр нашего Местного Сверхскопления. Барицентр
Местной Группы двигается в направлении центра Местного Сверхскопления со скоростью около 300 км/с
("поток в направление на Деву"). Скопление в Деве выделяется не только по богатству, но и по кинематике
движения членов в ней, у которых собственные скорости изменяются в диапазоне от -200 до +2000 км/с.
Скопление галактик в Деве охватывает 120 квадратных градусов неба и имеющее диаметр более 6 Мпк. В
скоплении находятся не только галактики, состоящие из звезд, но также газ (в среднем один атом в
кубическом дециметре, а по массе сопоставимо с массой всех звезд скопления), настолько горячий, что он
излучает рентгеновские лучи. Наиболее массивная галактика скопления - гигантская эллиптическая
галактика M87. Шестнадцать наиболее ярких членов скопления включено в Каталог Мессье.
4.
Сверхскопление -
концентрация богатых
скоплений галактик.
Известно около
пятидесяти
сверхскоплений. Самое
крупном насчитывает
29 богатых
скоплений. Эти
структуры имеют в
поперечнике сотни
миллионов световых
лет.
Наш Местный
комплекс находится на
периферии
сверхскопления
диаметром в 40 Мпк с
центром в богатом
скоплении Девы. В
этом сверхскоплении
около 400 отдельных
скоплений собраны в
слои и полосы, разделенные промежутками и более 30000 галактик. Подробные карты Местного
сверхскопления галактик опубликовал в 1982 году Брент Талли (США). Подавляющее большинство
галактик (60%) находятся в узком слое толщиной всего около 10 млн. св. лет вблизи плоскости
Сверхскопления. Большая концентрация галактик вблизи центра — скопление Девы. Лишь 40% галактик
расположены вне плоскости Сверхскопления. При этом 98% галактик Местного сверхскопления
принадлежат 11 облакам, суммарный объем которых не превышает 5% объема всего Сверхскопления.
Ближайшие к нам скопления галактик расположены в созвездиях Пегаса и Рыбы на расстоянии в 212 млн
световых лет.
Скопление галактик в Волосах Вероники - богатое скопление галактик , простирающееся на несколько
градусов небесной сферы. Почти каждый объект на фотографии - галактика. Скопление галактик Coma,
изображенное на снимке является одним из самых плотных из известных скоплений.
Оно находится, по некоторым оценкам, на расстоянии 300 млн. световых лет. Имеет почти сферическую
форму, где большинство галактик сконцентрировано в центре и являются эллиптическими, причем среднее
расстояние между галактиками в три раза меньше расстояния между Млечным Путем и Туманностью
Андромеды в Местной группе. Содержит более 1000 ярких эллиптических галактик и более 50000 мелких, а
вне скопления большинство спиральные. Диаметр скопления 10млн.световых лет. В центре скопления
находятся две сверхгигантские эллиптические галактики. Скопление - сильнейший источник рентгеновского
излучения, природа которого пока изучается.
Среднее расстояние между сверхскоплениями составляет 55 Мпк.
Вывод: Вселенной на самых разных уровнях присуща структурность: от ядер атомов до гигантских
сверхскоплений галактик. Разумно было бы предположить, что эта иерархия распространяется дальше на
сколь угодно много уровней, но в 1990-е было выяснено, что на масштабах порядка 300 мегапарсек
Вселенная (точнее Метагалактика) практически однородна.
В 1986г открыт великий аттрактор — гравитационная
аномалия, расположенная в межгалактическом пространстве в
центре Местного cверхскопления. Этот объект, имеющий массу
десятков тысяч галактик, наблюдается благодаря эффекту,
который он оказывает на движение галактик. Наблюдение
Великого аттрактора затруднено тем, что он находится в "зоне
затенения", закрытой от наблюдения плоскостью Млечного пути.
Местная группа вместе с другими близкими галактиками
участвуют в совместном движении к центру Местного
cверхскопления с относительными скоростями порядка 250 км/с.
Галактики обнаруживают крупномасштабное течение в сторону
Великого аттрактора со скоростью порядка 600 км/с в системе
отсчёта, связанной с реликтовым фоном.
Он находится в скоплении галактик Abell 3627. Расстояние
до него оценивается примерно в 65 Мпк. Масса — порядка
5×1016 солнечных масс, но масса видимого вещества в той
области, по меньшей мере, в 10 раз меньше. Считается, что
основную массу составляет тёмная материя.
2. Метагалактика - вся наблюдаемая часть Вселенной, составная часть Вселенной. Размер
наблюдаемой Вселенной ограничен расстоянием, которое мог пройти свет с момента Большого Взрыва.
В
Метагала
ктике
простран
ство
между
галактика
ми
заполнен
о
чрезвыча
йно
разряжен
ным
межгалак
тическим
газом,
пронизыв
аемым
космичес
кими
лучами,
гравитац
ионными
и
электром
агнитными полями. Большая часть вещества для нас невидима (темная материя) и многие астрономы
поддерживают мысль о том, что темное вещество состоит из более или менее обычного вещества -
множества слабых коричневых карликов, или, возможно, темных планет типа Юпитера. В принципе во
Вселенной возможно существование и других метагалактик.
Мы не в силах увидеть, какой облик в данный момент времени имеет наша Метагалактика: чем дальше
находится космический объект, тем большее прошлое объекта мы наблюдаем (время, необходимое для
прохождения света).
Метагалактика - это предельная по степени общности и объему, обладающая структурностью на всех
своих уровнях система космических объектов массой около 1052 кг, размерами около 1023 - 1024 км (≈14
Сводная карта распределения галактик в Las Campanas Redshift Survey, .
миллиардов св. лет) и возрастом до 14 миллиардов лет.
В конце 1970-х годов было открыто, что
галактики в сверхскоплениях распределены не
равномерно, а сосредоточены вблизи границ ячеек
(сотов), внутри которых галактик почти нет.
Метагалактике присуща сетчатая (пористая)
структура. Размеры ячеек около 100 Мпк, а
толщина стенок 3-4 Мпк. Если в масштабах
Солнечной системы, Галактики вещество
распределено неравномерно, то в масштабах
сверхскоплений галактик вещество распределено
практически равномерно. Вселенную можно считать
однородной, не имеющей центров и изотропной. По
современным представлениям, Вселенная
представляет собой совокупность довольно плоских
«листов», разделённых областями, в которых
практически нет
светящейся материи. Эти
области (пустоты, англ.
voids) имеют размер
порядка сотни
мегапарсек. В начале
1990 года американские
астрономы М. Келлер и
Дж. Хайкр выявили
сверхплотное скопление
галактик в северной
части неба, которому
дали название «Великая
стена», по аналогии с Великой Китайской стеной. Протяженность этой звездной стены составляет примерно
500 млн световых лет, а ширина и толщина - соответственно 200 и 50 млн световых лет (из других
источников размером 50х30х5 Мпк). Образование такого звездного скопления никак не вписывается в
общераспространенную теорию большого взрыва происхождения Вселенной, из которой вытекает
относительная равномерность распределения материи в космосе. Подобное образование имеется и в южной
части неба.
Собранная WMAP (Wilkinson Microwave Anisotropy
Probe,
запуск 30
июня 2001)
по
наблюдению
микроволно
вого фона
информация
позволила
учёным
построить к
2006 году самую детальную на сегодняшний день карту
флуктуаций температуры распределения микроволнового
излучения на небесной сфере. Параметры функции, описывающей измеренное распределение, согласуются с
моделью Вселенной, состоящей:
на 4 % из обычного вещества,
на 23 % из так называемой тёмной материи (возможно состоящая из слабовзаимодействующих
массивных частиц (вимп)) и
на 73 % из ещё более таинственной тёмной энергии, вызывающей ускоренное расширение Вселенной.
Данные WMAP позволяют утверждать, что тёмная материя является холодной (то есть состоит из тяжёлых
частиц, а не из нейтрино или каких-либо других лёгких частиц). В противном случае лёгкие частицы,
движущиеся с релятивистскими скоростями, размывали бы малые флуктуации плотности в ранней
Вселенной. Среди других параметров, из данных WMAP определены (исходя из ΛCDM-модели, то есть
фридмановской космологической модели с Λ-членом и холодной тёмной материей:
возраст Вселенной: (13,7 ± 0,2)х109 лет;
постоянная Хаббла: 71 ± 4 км/с/Мпк;
плотность барионов в настоящее время: (2,5 ± 0,1)х10—7 см—3;
параметр плоскостности Вселенной (отношение общей плотности к критической): 1,02 ± 0,02;
суммарная масса всех трёх типов нейтрино: <0,7 эВ.
3. Космология - раздел астрономии, изучающий происхождение, свойства и эволюцию Вселенной,
используя методы и достижения физики, математики и философии. Физическая (наблюдательская)
космология занимается наблюдениями, которые дают информацию о Вселенной в целом, а теоретическая
космология - разработкой моделей, которые должны описывать наблюдаемые свойства Вселенной в
математических терминах. Результаты исследований, полученные внегалактической астрономией, являются
основным наблюдательным материалом для космологии.
Космологические учения древности были просто иллюстративными моделями и мифами. Однако уже
греческая космология стремилась построить математическую модель движения планет. Современная
космология целиком базируется на законах физики и математических конструкциях.
Теоретическая космология обычно основывается на общей теории относительности, разработанной в
начале 20-го века немецким физиком Альбертом Эйнштейн (1879-1955). На больших расстояниях
преобладающей силой, воздействующей на вещество, является гравитация, и, следовательно, именно она
определяет крупномасштабную структуру Вселенной. Общая теория относительности способна описать
связи между пространством, временем, веществом и гравитацией. Эйнштейн, придерживаясь точки зрения
не меняющегося состояния Вселенной со временем, для уравновешивания силы притяжения, ввел
гипотетические силы отталкивания и космологическую постоянную - Λ-член. В 1922-1924гг российский
математик Александр Александрович Фридман (1988-1925), решая уравнение Эйнштейна, вывел идею
глобальной эволюции Вселенной, т.е. материя в масштабах однородной и изотропной Вселенной не может
находиться в покое - Вселенная либо должна сжиматься, либо расширяться. Все зависит от средней
плотности материи (критическая 10-26кг/м3). Но к сожалению мы видим лишь небольшую часть материи,
остальная представляет невидимую часть (скрытую массу), а потому оценить среднюю плотность не
можем. Открытие 1) красного смещения (1929г) и 2) реликтового излучения (1965г) подтвердили
теорию расширяющейся Вселенной.
В 1929г Эдвин Поуэлл ХАББЛ (1889-1953, США) открывает красное смещение, объясняемое эффектом
Доплера, установил закон (Хаббла), что красное смещение (скорость) возрастает пропорционально
расстоянию до галактик υ=H.r (где сегодня можно считать Н=75 км/(с.Мпк) -постоянная Хаббла). В
Метагалактике происходит взаимное удаление всех галактик. Но расширение Метагалактики (причем по
последним данным с ускорением) происходит только на уровне скоплений и сверхскоплений и не существует
центра, от которого разбегаются галактики. Начало расширения можно найти разделив расстояние с начала
расширения на скорость, то есть R/(H.R)=1/H≈14 млрд.лет, тогда получим размер наблюдаемой Вселенной
R=с/H≈4300 Мпк. Закон Хаббла плохо выполняется или совсем не выполняется для объектов, находящихся
на расстоянии ближе 10-14 млн. св. лет, то есть как раз для тех галактик, расстояния до которых наиболее
надёжно определяются без красного смещения. Закон Хаббла плохо выполняется и для галактик на очень
больших расстояниях (в миллиарды св.лет), которым соответствует величина z >1.
Исходя из теории Фридмана получаем, что в момент начала расширения Вселенной вещество имело
колоссальную плотность. В 1948г Георгий Антонович Гамов (1904-1968) выдвигает идею, что на
начальном этапе вещество имело не только колоссальную плотность, но и очень высокую температуру
(теория Большого Взрыва). В 1965г было открыто космическое фоновое излучение, предсказанное Гамовым,
получившим название реликтового (электромагнитное излучение водорода с температурой 2,7К). Открыто
было на волне 7,35см случайно американскими инженерами Арно Пензиасом и Робертом Вильсоном
(Нобелевская премия 1978г). Измерение изотропности фонового излучения, показало однородность
Вселенной во всех направлениях. Плотность энергии реликтового излучения (около 500 квантов в см3) в 30
раз больше плотности энергии всех существующих сегодня источников (звезд, галактик и т.д.).
Можно воспользоваться известными законами физики и просчитать в обратном направлении все
состояния, в которых находилась Вселенная, начиная с 10-43 секунд после Большого Взрыва (Планковское
время). Наблюдаемая Вселенная с очень хорошей точностью однородна и изотропна, и является
геометрически плоской. Это явление объясняется эпохой космической инфляции (около 10-37 секунд), во
время которой Вселенная расширилась во много раз. Приблизительно с 1 секунды после Большого Взрыва
материя охладилась достаточно для образования стабильных нуклонов и начался процесс первичного
нуклеосинтеза. Он длился до возраста Вселенной 3 минуты, и за это время образовался первичный состав
звёздного вещества: около 25% гелия-4, 1% дейтерия, следы более тяжёлых элементов до бора, остальное -
водород. Вселенная постепенно охлаждалась и через 379 000 лет после Большого Взрыва стала достаточно
холодной для образования атомов (3000 К). Таким образом, из состояния плазмы, непрозрачного для
большей части электромагнитного излучения, материя перешла в газообразное состояние. Тепловое
излучение той эпохи мы можем непосредственно наблюдать в виде реликтового излучения. На этой стадии
Вселенная стала прозрачной для излучения. Плотность вещества теперь стала выше плотности излучения,
хотя раньше ситуация была обратной, что и определяло скорость расширения Вселенной. Фоновое
микроволновое излучение - все, что осталось от сильно охлажденного излучения ранней Вселенной. Первые
галактики начали формироваться из первичных облаков водорода и гелия только через один или два
миллиарда лет.
2. Открытие других галактик
Идея о том, что наша Галактика не заключает в себя весь звездный мир и существуют другие, сходные с
ней звездные системы, впервые была высказана учеными и философами в середине 18 века (Э.Сведенборг
в Швеции, И.Кант в Германии, Т.Райт в Англии).
Вильям (Уильям) Вильгельм Фридрих ГЕРШЕЛЬ (1738-1822, Англия) начав с 1775г вести
планомерные обзоры неба открывает, что среди данных видимых туманностей ряд из них состоит из звезд
(открывает звездные скопления), а некоторые представляют собой правильную форму (открывает и вводит
название планетарных туманностей) и к 1791г приходит к правильному выводу о существовании
самостоятельных звездных систем (галактик), подтвержденных лишь в 1924г.
1 января 1925г Эдвин Поуэлл ХАББЛ (1889-1953, США) -сообщает об открытии других галактик на
примере М31 Адромеды (NGC224-по Новому общему каталогу (New General Catalog), 1908 год) - определив
по цефеидам расстояние до нее в 300кпк (на самом деле 675кпк). Это единственная для наших широт
видимая невооруженным глазом галактика и замечена была еще в 10 веке арабским астрономом Ас-Суфи
(903-986). Обозначение М сохранилось еще по каталогу 1781 года Шарля МЕССЬЕ (1730-1817, Франция),
составившего каталог на 110 объектов, чтобы не путать туманные пятна на небе с появляющимися
кометами. Если взять например галактику в созвездии Девы, и посмотреть, сколько названий она имеет, то
получится: М 87, NGC 4486, UGC 7654, PGC 41361, 87GB 122819.0 +124029, 1 ES 1228 +126, IRAS
12282+1240, Дева А, Арп 152. Посмотрев на эти цифры, подумаешь, что это слишком сложно, но если
разобраться, то на самом деле всё это не так уж сложно. Немного о каталогах галактик.
Невооруженному глазу на небе доступно всего три галактики – туманность Андромеды в северном
полушарии и более близкие к нам Большое и Малое Магеллановы Облака – в южном.
2. Многообразие (классификация) галактик
Галактики – это большие
звездные системы, в которых
звезды связаны друг с другом
силами гравитации.
Существуют галактики,
включающие триллионы звезд.
Наша Галактика c 200-250 млрд.
звезд – Млечный Путь –
достаточно велика. Самые
маленькие галактики содержат
в миллион раз меньше звезд.
Абсолютная звездная величина
самых ярких сверхгигантских
галактик М = –24m, у
карликовых галактик М = –15m,
самые слабые из карликовых
галактик имеют абсолютную
звездную величину М = –6m. У
туманности Андромеды
абсолютная звездная величина
М = –20,3m, у нашей Галактики
М = –19m.
Э.П. Хаббл в 1925 году
впервые разработал первую
классификацию галактик (внегалактических
туманностей), руководствуясь
гипотезой Д. Джинса по
формам, составляющим основу
современной классификации.
Сперва были: Е- эллиптические,
S – спиральные, I –
неправильные (иррегулярные),
а в 1936г усовершенствовал
свою классификацию
(опубликована в 1961г
А.Сендидж в «Хаббловском
атласе галактик»).
Считал, что классификация
отражает эволюцию галактик:
возникая как сферические, они
сильно вытягивались в
эллиптические, превращаясь в
спиральные с перемычками или
без. На самом деле никакой
эволюции в классификации нет.
Сейчас известно свыше 1
млрд. разнообразных галактик.
Наша Галактика, как и М31,
принадлежит к типу Sb, а М33 к
типу Sс.
Около 90 % массы галактик
приходится на долю тёмной
материи и энергии, природа
этих невидимых компонентов
пока не изучена. Существуют
свидетельства того, что в
центре многих (если не всех)
галактик находятся
сверхмассивные чёрные дыры.
В 2004 году самой далёкой
галактикой из тех, что когда-
либо наблюдались
человечеством, стала галактика
Abell 1835 IR1916. Однако в
феврале 2007 года обнаружена
галактика еще более удаленная,
в 11 миллиардах световых лет
от Земли, располагаемая вокруг
квазара.
1) Эллиптические галактики составляют примерно 20 % от общего числа
галактик высокой светимости, обозначаются буквой E (англ. elliptical). Типичная
Е-галактика выглядит как сфера или эллипсоид, диск в ней практически
полностью отсутствует. Эллиптические галактики, как и сферические
компоненты у галактик других типов, почти лишены межзвездного газа (не
считая разреженного и очень горячего газа, заполняющего всю галактику), а
следовательно и молодых звезд. По степени вытянутости эллиптических
галактик Эдвин Хаббл получил 8 подтипов галактик от Е0 до Е7 (E0 –
«шаровые» галактики, E7 – «сплюснутые»). Звезды эллиптических галактик обращаются вокруг центра
галактики очень медленно (скорость вращения обычно не превышает нескольких десятков км/с). Таким
образом, эллиптические галактики – это системы с низким удельным моментом импульса. Ближайшая к нам
эллиптическая галактика – Sculptor (ESO 351-30, подкласс – E0, радиус – 1505 световых лет). На фото
последний объект в каталоге Шарля Мессье - М110 (или NGC 205)- карликовая эллиптическая галактика -
яркий спутник большой спиральной галактики Андромеды. На переднем плане изображения видно
множество близких звезд. Размер M110 - около 15 тысяч световых лет.
2) Линзовидные галактики – это промежуточный тип между спиральными и эллиптическими, составляют
до 20%. У них есть гало и диск, но нет спиральных рукавов. Такие галактики обозначаются S0.
3) В 1845 году английский астроном лорд Росс (Вильям ПАРСОНС, 1800-
1877) обнаружил целый класс «спиральных туманностей». В начале XX века
было доказано, что спиральные туманности – это огромные звездные системы,
похожие на нашу Галактику. С тех пор их стали называть галактиками и они
составляют до 80% всех галактик . Спиральные галактики содержат как гало, так
и массивный звездный диск и обозначаются буквой S. Их различают по степени
своей спиральной структуры добавлением к символу S букв a, b, c. Sa –
спиральная галактика с мало развитой спиральной структурой и с мощным
ядром. Sc – галактика с малым ядром и с сильно развитыми спиральными
ветвями. Наша Галактика принадлежит к промежуточному типу Sb. У некоторых спиральных систем в
центральной части имеется звездная перемычка – бар. В этом случае к их обозначению после буквы S
добавляется B. В 2005 году при работе с Космическим телескопом имени Спитцера и основываясь на более
ранних наблюдениях, было установлено, что Млечный Путь также следует относить к спиральным
галактикам с баром. Гипотеза о наличии бара в нашей галактике была выдвинута на основе многочисленных
данных с радиотелескопов. Однако только благодаря изображениям со Спитцера, работающего в
инфракрасном диапазоне, данное предположение получило твердое подтверждение. На фото спиральной
галактики NGC 613 с перемычкой, находящейся на расстоянии 65 миллионов
световых лет от нас в южном созвездии Скульптор, имеющая размер более 100
тысяч световых лет и в центре массивную черную дыру.
Плоская дискообразная форма объясняется вращением. Существует гипотеза,
что во время образования галактики центробежные силы препятствуют сжатию
протогалактического облака в направлении, перпендикулярном оси вращения.
Газ концентрируется в некоторой плоскости – так образовались диски галактик.
Характер движения звезд и газа в галактиках не одинаков: газ вращается
быстрее, чем старые звезды. Если характерные скорости вращения газа в
галактиках составляют 150–500 км/с, то старые звезды гало всегда вращаются
медленнее. Балджи спиральных галактик, состоящие из старых звезд, вращаются
в 2–3 раза медленнее, чем диски. Во вращающемся диске, образуемом звездным газом, могут даже
распространяться спиральные волны плотности сжатия-разрежения, наподобие звуковых волн. Они
обегают галактику за несколько сотен миллионов лет с постоянной угловой скоростью. Именно эти волны
ответственны за появление спиральных ветвей. При сжатии газа начинается образование холодных газовых
облаков и их комплексов, активное звездообразование. Почти все звезды диска то попадают внутрь
спиральных ветвей, то выходят из них. Когда звёзды проходят сквозь рукав галактики, они замедляются,
несколько увеличивая среднюю плотность рукава. Подобные «волны», состоящие из медленно едущих
машин, можно увидеть на переполненных дорогах. В результате возникающей неоднородности
гравитационного потенциала (10-20 %) «догоняющий» межзвёздный газ разгоняется до сверхзвуковых
скоростей и тормозится о «набегающий», образуя ударную волну со значительно повышенной, по
сравнению со средней, плотностью. Рукава заметны потому, что повышенная плотность способствует
формированию звёзд, из-за чего спиральные рукава населены молодыми голубыми звёздами. Единственное
место, где скорости звезд и рукавов совпадают, – это коротационная окружность. Именно вблизи нее в
нашей Галактике и располагается наше Солнце. Для Земли это обстоятельство крайне благоприятно: наша
планета существует в относительно спокойном месте Галактики и в течение миллиардов лет не испытывает
влияния галактических катаклизмов.
4) При исследовании неба с помощью телескопов обнаружено множество
галактик неправильной, клочковатой формы, похожих на Магеллановы Облака.
Около половины вещества в них – межзвездный газ. Подобные галактики
называются неправильными и по классификации Хаббла обозначаются Ir (англ.
irregular). К этому классу относятся около 3% всех галактик. (на фото неправильная
галактика NGC 1427A) Существует два больших типа неправильных галактик:
Неправильные галактики первого типа (Irr I) представляют собой неправильные
галактики, имеющие намеки на структуру, которых, однако, не достаточно чтобы
отнести их к последовательности Хаббла. Существует два подтипа таких галактик
— обнаруживающих подобие спиральной структуры (Sm), и с отсутствием таковой
(Im).
Неправильные галактики второго типа (Irr II) — это галактики, не имеющие никаких особенностей в
своей структуре, позволяющих отнести их к последовательности Хаббла.
Третий подтип неправильных галактик — так называемые карликовые неправильные галактики,
обозначаемые как dI или dIrrs. Этот тип галактик в настоящее время считается важным звеном в понимании
общей эволюции галактик. Вызвано это тем, что они обнаруживают тенденцию низкого содержания
металлов и экстремально высокого содержания газа и поэтому подразумеваются схожими с самыми
ранними галактиками, заполнявшими Вселенную. Этот тип галактик может представлять местную (и
поэтому наиболее современную) версию тусклых голубых галактик, обнаруженных при сверх глубоком
обзоре неба.
В прошлом считалось, что Большое и Малое Магеллановы Облака относятся к неправильным
галактикам. Однако позже было обнаружено, что они имеют спиральную структуру с баром. Поэтому эти
галактики были переквалифицированы в SBm, четвертый тип спиральных галактик с баром. Да и возможно
они просто пролетающие мимо галактики, а не спутники Млечного Пути.
ИТАК:
E0—E7 — эллиптические галактики, имеют относительно равномерное распределение звёзд без явного
ядра. Цифра показывает эксцентриситет: галактики E0 практически шарообразны, с увеличением номера
развивается уплощение. Число показывает форму проекции на плоскость наблюдения, а не реальную форму
галактики, которую может быть трудно установить.
S0 — линзообразные галактики дискообразной формы с явно выраженным центральным балджем
(выпуклостью), но без наблюдаемых рукавов.
Sa, Sb, Sc, Sd — спиральные галактики, состоящие из балджа и внешнего диска, содержащего рукава.
Буква показывает, насколько плотно расположены рукава.
SBa, SBb, SBc, SBd — спиральные галактики с перемычкой, в которых центральный балдж пересекает
яркий бар (перемычка), от которого отходят рукава.
Irr — иррегулярные галактики, которые не могут быть отнесены ни к одному из перечисленных классов.
Галактики типа IrrI показывают остатки спиральной структуры, а IrrII имеют совершенно неправильную
форму.
Тип галактики Масса
(в массах
Солнца)
Светимость
(в светимостях
Солнца)
Диаметр
(килопарсек) Звёздное
население
Процент среди
наблюдаемых
галактик
Спиральные (S и
SB) 109 — 1011 108 — 1010 5 — 250
диск:
Население I
гало:
Население II
77%
Эллиптические
(E) 105 — 1013 105 — 1011 1 — 205 Население II 20%
Иррегулярные
(Irr) 108 — 1010 107 — 109 1 — 10 Население I 3%
5) В 2003 году Майклом Дринкуотером (Michael Drinkwater) из университета
Квинсленда (University of Queensland) был открыт новый вид галактик,
классифицируемый как ультракомпактные карликовые галактики, которые не
вписываются в классификацию Хаббла. Они в десятки раз меньше по размерам
обычных галактик. Карликовые галактики обозначают буквой d (от англ. dwarf -
"карлик"). Их можно разделить на карликовые эллиптические dE, карликовые
сфероидальные dSph (Sph - сокращение от англ. sphere - "шар"), карликовые
неправильные dIr и карликовые голубые компактные галактики dBCG (здесь
BCG - blue compact galaxies). dSph похожи на шаровые звездные скопления, увеличенные по объему в
тысячи раз. Такие галактики – рекордсмены по низкой поверхностной яркости среди карликов, которая даже
во внутренней области галактик часто бывает значительно ниже яркости темного ночного неба. Несколько
галактик dSph являются спутниками нашей Галактики. В отличие от них галактики dBCG имеют высокую
поверхностную яркость при небольшом линейном размере, а их голубой цвет свидетельствует об
интенсивно происходящем звездообразовании. Эти объекты особенно богаты газом и молодым звездами.
Галактик со спиральными ветвями среди карликов не встречается. Скорее всего, для образования спиралей
нужен массивный звездный диск, а масса карликовых галактик недостаточна для этого. На фото Leo A -
карликовая неправильная галактика - одна из наиболее многочисленного типа галактик во Вселенной,
которые, возможно, являются строительными блоками более массивных галактик.
Существуют и другие виды галактик.
1) Взаимодействующие - галактики, соединенные перемычками из звезд и газа,
а также далеко уходящими в сторону протяженными "хвостами". В середине
XX столетия крупные телескопы выявили, что 5–10 % от общего числа галактик
имеет весьма странный, искаженный вид, так что их трудно классифицировать
по Хабблу. Иногда такие галактики окружены светящимся гало либо связаны
звездной перемычкой. Иногда от галактик на сотни тысяч световых лет отходят
длинные хвосты. В некоторых системах обращает на себя внимание сложный
характер внутреннего движения межзвездного газа. Если галактики в своем
движении близко походят друг к другу, то они могут испытывать сильное гравитационное взаимодействие
на расстоянии, даже не соприкасаясь. При взаимном проникновении галактики могут даже слиться друг с
другом за несколько сотен миллионов лет. Открыты и впервые исследованы Борисом Александровичем
Воронцовым - Вильяминовым (1904-1994) открыл более 2000 и начал их исследование). Первый атлас
таких галактик на более 800 объектов создал в 1959г, в который вошла и наша Галактика с Большим
Магеллановым Облаком и Малым Магеллановым Облаком.
Например радиогалактика Центавр А (NGC 5128) считается результатом слияния спиральной галактики с
эллиптической. Именно поэтому в этой галактике так много пыли. Газопылевой диск, наследство от
спиральной галактики, как бы перечеркивает эту сферическую галактику.
В галактике М64 слились две дисковые спиральные галактики с разным направлением вращения. В итоге
возник газопылевой диск, вращающийся в направлении, противоположном вращению звездного диска. На
снимке активно взаимодействует спиральная галактика М51 с соседней галактикой.
2) Галактики с активными ядрами (4 типа) - обычно это эллипсоидные и неправильные гелактики. Они
всего составляют около 1% всех галактик.
1) Сейфертовские - Тип галактик с ярким точечным ядром и незаметными
спиральными рукавами, открыты в 1943г Карлом Кинан Сейфертом (1911-
1960, США) -молодые спиральные галактики, внутри которых происходит
беспорядочное движение газовых масс со скоростями в тысячи км/с и выбросы
вещества ("джеты") со скоростью 500-4000км/с. Их спектр показывает широкие
эмиссионные линии. Около 1% всех спиральных галактик являются
сейфертовскими. Многие из них - сравнительно сильные инфракрасные
источники; в некоторых центральное ядро является и слабым радиоисточником.
Обычно наблюдается изменение яркости ядра.
На фото сейфертовская галактика NGC 1566, находящаяся на расстоянии около 50 млн. световых лет.
Кроме плотно закрученных спиральных рукавов с ясно выраженной симметрией, эта галактика представляет
большой интерес благодаря своему светящемуся ядру, обладающему многими характеристиками квазара,
хотя и гораздо менее энергетически насыщенному.
2) Радиогалактики - источником интенсивного радиоизлучения. На каждый
миллион галактик приходится одна радиогалактика. Радиоизлучение
представляет собой синхротронное излучение электронов, движущихся со
скоростями, близкими к скорости света. В радиогалактике Лебедь A (3С 405,
первым открыт в 1946г, а отождествлен в 1951г; 3С- Третий Кембриджский
каталог 1959г на 471 радиоисточник) часто считающейся прототипом
радиогалактик, имеются два обширных облака радиоизлучения, расположенных симметрично с каждой
стороны возмущенной эллиптической галактики и простирающихся более, чем на три миллиона световых
лет. Кажется маловероятным, что столь большое выделение энергии может быть результатом нормальных
ядерных реакций в звездах. Поэтому был предложен механизм, в котором в качестве "центрального
движителя" работают черные дыры.
Радиогалактики тесно связаны с квазарами, многие из которых в радиодиапазоне имеют близкие
характеристики.
3) Лацертиды (Lacerta (лат. ящерица))- эллиптическая галактика с
ярким существенно переменным плотным ядром. Первым таким
объектом была туманность BL Ящерицы, открытая в 1929г. Тогда
думали, что это переменная звезда (откуда и форма названия).
Уникальное свойство таких объектов - резко выраженная
короткопериодическая переменность светового излучения при
отсутствии каких-либо характерных черт в спектре (линий, т.е. спектр
непрерывен). Яркость может измениться за месяц в сотни раз, причем
иногда изменения наблюдаются ежедневно. Что самое странное, он
излучает, как сотни миллиардов солнц, именно поэтому его причисляют
к квазарам.
Многие из объектов типа BL Ящерицы являются радиоисточниками.
Интенсивные радиовыбросы замечены и в самой туманности BL Ящерицы, но они не коррелируют с
вариациями яркости в световом диапазоне. На фото BL Ящерицы с окружением.
4) Квазары
(квази-звездный
объект, QSO,
название
сокращенное
обозначение
радиоисточника
QUAsi-
StellAR было
дано в 1963г ) -
тип галактик с
наиболее яркими
(в сотни раз от
нормальных)
активными ядра
ми, удаленные на
расстояние более
1 млрд. световых
лет из-за чего
трудно
рассмотреть
слабое туманное
свечение
окружающей галактики, обнаруженное все же у небольшого числа квазаров. Внешне подобны звездам, но
излучают сильно в радиодиапазоне. Открыты квазары в 1963г астрофизиком Маартен Шмидт (р. 1929г,
США). Присутствие эмиссионных линий означает, что энергия излучения возникла в результате нетепловых
процессов. Методами интерферометрии с очень большой базой удалось показать, что объем центрального
источника энергии в квазарах ограничен размерами порядка диаметра Солнечной системы. Это значит, что
источником энергии может быть падение вещества на сверхмассивную черную дыру.
Если луч света от удаленного квазара проходит через близлежащую галактику, то может возникнуть
эффект гравитационной линзы, открытая в 1979г (QSO 0957+561 А и В, появление кратного изображения
квазара). Для него расстояние между объектами составляло 6" (колеблется от 0,77" до 7" у 25 открытых
микролинз).
Фото слева вверху: Квазар PG 0052+251 в ядре нормальной спиральной галактики, удаленный от Земли
на 1,4 млрд. световых лет. Слева внизу: Квазар PHL 909 в ядре нормальной эллиптической галактики,
удаленный от Земли на 1,5 млрд. световых лет. Вверху в центре: Свидетельства катастрофического
столкновения двух галактик, движущихся со скоростью около 1,6 млн. км в час. Остатком этого
столкновения может быть квазар IRAS 04505-2958, который находится на расстоянии 3 млрд. световых лет
от Земли. Внизу в центре: Квазар PG 1012+008, расположенный на расстоянии 1,6 млрд. световых лет от
Земли, сливающийся с яркой галактикой (объект непосредственно ниже квазара). Изображение получено
Космическим телескопом "Хаббла". Вверху справа: "Хаббл" снял приливный хвост пыли и газа, лежащие
ниже квазара 0316-346, удаленного на 2,2 млрд. световых лет от Земли. Справа внизу: "Хаббл" заснял
"танец" двух сливающихся галактик. Возможно, галактики перед слиянием совершили несколько оборотов
относительно друг друга, оставив вокруг квазара IRAS 13218 + 0552 ясно различимые петли светящегося
газа. Квазар находится на расстоянии 2 млрд. световых лет от Земли.
В 1998г открыт самый ближний квазар Маркарян 231 (3С 273) в 500 млн. св.лет от нас - центр
эллиптической галактики. Его возраст 1 млн. лет и проявляет себя как компактный радиоисточник.
К началу 2007 года обнаружено около 100 тысяч квазаров, но только дюжина - двойных. Одиночным
считался и открытый 1989 году квазар LBQS 1429-008, находящийся от нас на расстоянии 10,5 миллиарда
световых лет, а в конце 2006 года профессор Джордж Джорговски из Калифорнийского Технологического
Института в Пасадене вместе с командой коллег-астрономов открыли, что он является первым тройным
квазаром. Имеется распространенная разновидность квазаров с низким радиоизлучением -
квазаги, т. е. квазигалактики.
3. Определение размеров, масс и расстояний до галактик (некоторые способы).
1) Определение
размера
2) Определение
расстояния
1. По красному смещению v=H.r
2. По цефеидам, новым и сверхновым, например M=m+5-5lgr
3. Mетодом сравнения областей ионизированного водорода H II
3) Определение
массы ядра
1) Из закона всемирного тяготения, используя центростремительное ускорение для точек на удалении R от ядра: Мя=Rυ2/G. Масса всей галактики в 10-100 раз больше массы
ядра. 2) По переменности эмиссионных линий (рассматривая движение газовых облаков,
удаленных на расстояние R и движущихся со скоростью υ) - по этой же формуле, если
движутся облака по круговой орбите.
