«Происхождение и эволюция галактик». Глава из книги

Жизни Возникновение и эволюция галактик Возникновение млекопитающих Возникновение христианства См. также Происхождение Инициализация Зарождение … Википедия

Космология Возраст Вселенной Большой взрыв Содвижущееся расстояние Реликтовое излучение Космологическое уравнение состояния Тёмная энергия Скрытая масса Вселенная Фридмана Космологический принцип Космологические модели Формирование гала … Википедия

Сталкивающиеся спиральные галактики NGC 3808A и NGC 3808B (Arp 87). Фото телескопа Hubble … Википедия

Активные ядра галактик ядра галактик, наблюдаемые процессы в которых нельзя объяснить свойствами находящихся в них звезд и газово пылевых комплексов. Активная гигантская эллиптическая галактика M87. Из центра галактики вырывается … Википедия

Морфологическая классификация галактик система разделения галактик на группы по визуальным признакам, используемая в астрономии. Существует несколько схем разделения галактик на морфологические типы. Наиболее известная была предложены… … Википедия

- (Сверхскопление Девы) система галактик размером около 200 млн. св. лет, включающая Местную группу галактик, скопление галактик в Деве и несколько других скоплений и групп галактик. Всего в состав Местного сверхскопления входят 100… … Википедия

Вселенная в пределах 1 млрд световых лет (307 Мпарсек), показывающая ближайшие сверхскопления Сверхскопление галактик многочисленные группы галак … Википедия

Hubble Ultra Deep Field показывает более чем 10 000 галактик в 0,000024 % неба … Википедия

Ниже приводится список известных галактик в пределах 3,6 мегапарсек (11,7 млн световых лет) от Земли в порядке удалённости от Земли (см. примечание ниже). 3,6 Мпк это расстояние до центра ближайших двух больших групп галактик: Группы… … Википедия

Скопления галактик гравитационно связанные системы галактик, одни из самых больших структур во вселенной. Размеры скоплений галактик могут достигать 108 световых лет. Скопления условно разделяются на два вида: регулярные скопления… … Википедия

Книги

• Частотно-волновая стратегия природы. Формула жизни , Б. М. Мартынов. В настоящей книге содержится исследование, касающееся некоторых актуальных проблем физики и биологии. В ней представлен альтернативный взгляд на основные категории физики и философии, такие…

Галилео Галилей заметил, что Вселенная - это книга, написанная на языке математики. Макс Тегмарк полагает, что наш физический мир в некотором смысле и есть математика. Известный космолог, профессор Массачусетского технологического института приглашает читателей присоединиться к поискам фундаментальной природы реальности и ведёт за собой через бесконечное пространство и время - от микрокосма субатомных частиц к макрокосму Вселенной.

Согласно первой точке зрения, пространство не меняется, а галактики движутся сквозь него, как шоколадные крошки на поднимающейся сдобной булке под действием добавленного в тесто разрыхлителя. Все галактики (шоколадные крошки) удаляются друг от друга, и чем больше расстояние между ними - тем быстрее. В частности, если вы встанете на конкретную крошку (галактику), вы увидите, что движение всех остальных относительно неё подчиняется закону Хаббла: все они удаляются от вас радиально, и с увеличением расстояния вдвое их скорость также удваивается. Примечательно, что всё выглядит совершенно одинаково независимо от того, с какой шоколадной крошки (галактики) вести наблюдение, так как если у распределения галактик нет границы, то расширение не имеет центра - оно кажется одинаковым отовсюду.

Согласно второй точке зрения, пространство подобно тесту сдобной булки: оно расширяется так, что шоколадные крошки относительно теста неподвижны, а галактики не двигаются сквозь пространство. То есть можно считать галактики покоящимися в пространстве (рис. 3.2 , справа), при этом все расстояния между ними изменяются. Это всё равно, что поменять отметки на воображаемых линейках, соединяющих галактики, сделав их из миллиметровых сантиметровыми, отчего все межгалактические расстояния станут в 10 раз больше прежних.

Это даёт ответ ещё на один вопрос: не нарушают ли галактики, удаляющиеся быстрее света, теорию относительности? Закон Хаббла v = Hd говорит, что галактики будут удаляться от нас быстрее скорости света c , если расстояние до них больше c /H ? 14 млрд световых лет, и у нас нет оснований сомневаться, что такие галактики существуют. Не противоречит ли это утверждению Эйнштейна о том, что никакой объект не может двигаться быстрее света? Ответ - и да, и нет. Это нарушает специальную теорию относительности 1905 года, но не противоречит общей теории относительности 1915 года, которая стала последним словом Эйнштейна по данному вопросу. Следовательно, всё в порядке. Общая теория относительности ослабила световой барьер: если специальная теория относительности утверждает, что никакие два объекта не могут двигаться быстрее света друг относительно друга ни при каких обстоятельствах , то общая говорит, что они не могут двигаться быстрее света друг относительно друга, когда они находятся в одном и том же месте . Однако галактики, удаляющиеся со сверхсветовой скоростью, находятся очень далеко от нас. Если настаивать на том, что пространство расширяется, можно перефразировать это соображение: ничему не позволено двигаться быстрее света сквозь пространство , но само пространство может растягиваться с какой ему угодно скоростью.

Кстати, о далёких галактиках. Я видел газетные статьи, где говорилось о галактиках, отстоящих от нас на 30 млрд световых лет. Если возраст нашей Вселенной всего 14 млрд лет, то как мы видим объекты в 30 млрд световых лет? Каким образом их свету хватило времени, чтобы добраться до нас? Более того, они удаляются от нас быстрее света, что делает абсурдным сам разговор о возможности их увидеть. Ответ в данном случае состоит в том, что мы видим эти далёкие галактики не там, где они находятся теперь, а там, где они были, когда испускали свет, который сейчас доходит до нас. Точно так же, как Солнце мы видим таким, каким оно было 8 минут назад, и в том месте, где оно было 8 минут назад, далёкие галактики мы можем видеть такими, какими они были 13 млрд лет назад, и в тех местах, где они были тогда, - примерно в 8 раз ближе к Земле, сравнительно с их нынешним положением. Так что свету из таких галактик достаточно пройти сквозь пространство всего 13 млрд световых лет, а разница добирается за счёт растяжения пространства. Это похоже на то, как по бегущей дорожке в аэропорту можно пройти 20 метров, сделав всего 10 шагов.

Как расширяется Вселенная?

Не случится ли там, вдали, куда направлено разбегание галактик, какого-нибудь космического ДТП, когда они врежутся в то, что находится там, куда они расширяются? Если наша Вселенная расширяется согласно уравнениям Фридмана, такой проблемы не существует: как показано на рис. 3.2, расширение выглядит одинаково повсюду в космосе, так что подобных проблемных мест быть не может. Если принять ту точку зрения, что далёкие галактики удаляются сквозь статическое пространство, причина, по которой они никогда не сталкиваются с более далёкими галактиками, состоит в том, что те удаляются ещё быстрее: вам не удастся врезаться сзади в разгоняющийся «Порше», если сами вы сидите за рулём ископаемого «Форда-Т». Если же считать, что пространство расширяется, то объяснение состоит просто в том, что его объём не сохраняется. Новости с Ближнего Востока приучили нас к той мысли, что нельзя получить больше места иным путём, кроме как отобрав его у кого-нибудь. Однако общая теория относительности утверждает прямо противоположное: дополнительный объём может быть создан в определённой области между некоторыми галактиками без того, чтобы он расширялся в другие области. Этот объём просто остаётся между галактиками (рис. 3.2 , справа).

Космическая классная комната

Как бы безумно это ни звучало, представление о расширении Вселенной логически последовательно и поддерживается астрономическими наблюдениями. Со времени Эдвина Хаббла подтверждающих эту теорию наблюдений стало гораздо больше благодаря современным технологиям и новым открытиям. Самый фундаментальный вывод состоит в том, что изменениям подвержена вся Вселенная: отодвинув рубеж наших знаний на миллиарды лет, мы обнаружили Вселенную, которая ещё не настолько сильно расширилась и поэтому была плотнее и гуще населена. Таким образом, мы обитаем не в скучном статическом пространстве, аксиоматизированном Евклидом, а в динамичном эволюционирующем пространстве, которое пережило своего рода детство и даже, возможно, рождение - около 14 млрд лет назад.

Радикально усовершенствованные телескопы усилили наше зрение настолько, что теперь мы можем непосредственно наблюдать за эволюцией пространства. Представьте, что вы выступаете с презентацией перед большой аудиторией. Внезапно вы замечаете нечто забавное. Ближайший к вам ряд кресел занят людьми примерно вашего возраста. Однако в десятом ряду вы видите лишь подростков. За ними - кучку маленьких детей, а ряд позади них занят младенцами. Вглядываясь во Вселенную, мы видим нечто подобное. Вблизи множество больших, зрелых галактик, похожих на нашу, а очень далеко мы видим в основном маленькие юные галактики, которые не кажутся вполне развитыми. А за ними и вовсе нет галактик, лишь темнота. Поскольку свету требуется больше времени, чтобы прийти издалека, заглядывание на большие расстояния равносильно наблюдению прошлого. Темнота позади галактик - это эпоха до образования всех галактик. В то время пространство было заполнено водородом и гелием в виде газа, тяготение которого ещё не успело превратить его сгущения в галактики, а поскольку этот газ прозрачен, как гелий в воздушных шарах, он невидим в телескоп.

Но есть загадка: во время презентации вы неожиданно замечаете, что из-за последнего пустого ряда поступает энергия - задняя стена аудитории не вполне тёмная, а испускает слабое излучение в виде микроволн! Почему? Мы видим именно такое свечение, когда заглядываем очень далеко во Вселенной.

Если планета Земля – наш «дом», а Солнечная система – «страна», то галактику Млечный путь можно сравнить с «материком». Размеры нашего «материка» поражают воображение: лучу света, чтобы долететь от одного края этого грандиозного диска до другого, требуется 100 000! В километрах это будет один квинтиллион. Счёт звёзд идёт на сотни миллиардов (точно не известно, но предположительно – от 200 до 400 миллиардов). Все эти звёзды – вместе с межзвёздным газом – вращаются вокруг галактического центра, где, по мнению учёных, располагается сверхмассивная чёрная дыра.

Кажется, что это великолепие существует вечно… но ведь по современным научным представлениям, даже сама Вселенная имела начало во времени, следовательно, у нашей Галактики тоже есть вполне определённый возраст. Судя по количеству межзвёздного газа (которого осталось сравнительно немного), она не намного моложе Вселенной: приблизительно 12 миллиардов лет. Как же она родилась?

В начале была протогалактика – огромное газовое облако, гораздо больше по размерам чем та, галактика, которую мы имеем сейчас. Состояло оно из самых лёгких элементов, чьи атомы возникли первыми в горниле Большого взрыва – водорода и гелия (водород – 75%, гелий – 25%). Облако это медленно вращалось, а сила гравитации тем временем сжимала его – и так продолжалось три миллиарда лет, пока под воздействием этих сил облако не потеряло свою однородность, оно стало распадаться на части, образуя более плотные скопления вещества.

Эти скопления подчинялись тем же законам – они вращались и сжимались, а сжимаясь – разогревались. В конце концов, их плотность и температура достигла такой степени, что под воздействием того и другого атомы водорода и гелия начали сливаться друг с другом, образуя другие атомы и выделяя энергию – т.е. начался термоядерный синтез. Так родились звёзды первого поколения, состоящие исключительно из водорода и гелия, поскольку не было больше ничего – т.е. обладали минимальной металличностью (в астрономии металлами называются все химические элементы тяжелее гелия).

Эти звёзды-первопроходцы были более массивными и более горячими, чем современные, а чем массивнее звезда – тем меньше она живёт и тем ярче «умирает», взрываясь мощной вспышкой сверхновой. При этом в окружающее космической пространство выбрасываются все те химические элементы, которые возникли в ходе термоядерного синтеза. Таким образом звёзды первого поколения своей жизнью и смертью обогатили хтмический состав протогалактики, и звёзды второго поколения обладали уже более высокой металличностью – т.е. содержали примеси других химических элементов.

Тем временем тот газ, который ещё не был «израсходован» на звездообразование, продолжал вращаться, стягиваясь к центру, образуя диск – вот в этом диске и родились звёзды второго поколения. Их становилось всё больше, и в конце концов они своей кинетической энергией уравняли энергию гравитационного взаимодействия, сжатие прекратилось. Тогда возникли области более плотного газа – те самые рукава, из-за которых нашу Галактику и подобные ей называют спиральными. Там продолжалось звездообразование, порождающее звёзды третьего поколения – с ещё более высокой металличностью (одна из них – наше Солнце).

Вот так галактика Млечный путь приобрела современный вид. Что ждёт её в будущем? По мере звездообразования «запасы» межзвёздного газа будут и дальше истощаться, и через несколько миллиардов лет он будет израсходован весь. Новые звёзды рождаться уже не будут, имеющиеся состарятся, дойдя до состояния красных звёзд и белых карликов, а Галактика из спиральной превратится в линзовидную.

Впрочем, нас ожидает и ещё одно примечательное событие – столкновение с галактикой Туманность Андромеды. Только не надо представлять это как «конец света» – две галактики сольются в одну (для неё даже название придумали – Милкомеда), причём процесс этот будет происходить так медленно, что люди на Земле ничего и не заметят. Единственное, что может случиться – так это то, что Солнце вместе с планетами выбросит за пределы новой галактики, и станет оно межгалактическим блуждающим объектом. Но структура Солнечной системы при этом сохранится, так что на Землю опять же заметного влияния не окажет – вот только наше прекрасное звёздное небо пропадёт… Впрочем, возможно, это уже не будет иметь значения: Солнце, превратившееся в красный гигант, к тому времени уничтожит всё живое на Земле.

Credit: NASA, ESA, the Hubble Heritage Team (STScI/AURA), A. Nota (ESA/STScI), and the Westerlund 2 Science Team

Задали хороший вопрос о том, отражают ли все эти чудные снимки объектов Вселенной, которые в изобилии усеивают любой сайт астрономической направленности, то, «как видно глазу» или нет.

Ну что ж, давайте разберемся. Очень коротко, тезисно, не без упрощений, конечно.

ЦВЕТ - реакция нашего мозга на свет разной длины волны, попавший на колбочки на сетчатке глаз. Синтез миллионов цветов по сути происходит из трех основных - синего, зеленого и красного, более того, наши глаза имеют естественный встроенный фильтр с центром на длине волны около 555 нанометров, в желто-зеленой области. У каждого человека есть свои нюансы восприятия света - так, например, у меня левый глаз видит в слегка холодных, а правый - в немного теплых цветах, и, подозреваю, у других людей здесь может быть что-то свое:-/

Матрицы монохромны, лишены этих недостатков и имеют кучу своих, матричных. В бытовых фотоаппаратах, утрируя, на матрице не одна, а три точки, чья чувствительность к свету выровнена технически, условно, по основным цветам, и все миллионы цветов опять получаются сложением этих трех основных, хотя вовсе и не очевидно, что графики чувствительности матриц на разных длинах волн в точности повторяют наши глаза - по уже упомянутым выше причинам.

Любители-астрофотографы используют неплохие монохромные матрицы, вводя в поток света перед ними градуированные широкополосные фильтры RGB (красный, зеленый, синий) и, еще, иногда фильтр альфа водорода, чтобы подчеркнуть яркость отдельных областей туманностей и галактик. Процесс выглядит так: навел на объект, проверил фокус, на специальной револьверной головке поставил синий фильтр - щелк, сделал экспозицию (секунды, минуты, реже - десятки минут), убрал фильтр, проверил фокус, поставил зеленый фильтр - щелк, сделал экспозицию, и так далее... потом в специальной программе сложил многие изображения, сделанные через каждый отдельный фильтр, чтобы усилить, потом в Фотошопе приписал каждому фильтру свой цвет, сложил все вместе, и получил итоговое цветное изображение. Нелегка и неказиста...

Астрономы-профи предпочитают иметь дело с объективными, научными данными. Поэтому они используют график излучения черного тела, показывающий, сколько света на каких длинах волн пришло к нам от объекта. Из этого полного спектра узкополосными фильтрами вырезают четкие окна в диапазонах U - ультрафиолетовый (365 нм), B - синий (445 нм), V - визуальный (551 нм), R (658 нм) - красный, I (806 нм) - инфракрасный, и многие, многие другие, дополнительные полосы. В общем случае, ученых обычно интересует даже не флюксы (потоки излучения) на указанных длинах волн, а разница между ними - U-B, B-V и т.д. Теоретически можно опять таки в фотошопе приписать каждому узкому фильтру свой цвет и экспериментировать с этими изображениями до посинения. Судите сами, соответствует ли все это вашему представлению о том, «как видно глазу». Процесс калибровки узкополосных фотометрических фильтров будет похлеще Фауста Гёте, посему о нем умолчим, пощадив ваше время и нервы...

Наш любимый телескоп Хаббл, кроме фотометрического, использует еще и другой набор фильтров, пропускающих излучение строго определенной длины волны - ионизованного водорода, кислорода и серы, как основные цвета (ну, и несколько дополнительных тоже). Водороду припишем красный, кислороду - синий, а сере - зеленый, сложим опять все вместе в фотошопе, и на выходе мы получим именно то, что сейчас представляют почтеннейшей публике, как фото объектов Вселенной... называется палитра Хаббла.

Credit: X-ray: NASA/CXC/CfA/M.Markevitch et al.; Optical: NASA/STScI; Magellan/U.Arizona/D.Clowe et al.; Lensing Map: NASA/STScI; ESO WFI; Magellan/U.Arizona/D.Clowe et al.

Наконец, используя полный электромагнитный спектр, ученые стали приписывать условные цвета даже невидимым нам радио-, инфракрасному, рентгеновскому и гамма излучению. Очень часто теперь можно встретить снимки, где красным, например, кодированы какие-то волны из инфракрасного диапазона (скажем, от телескопа Спитцер), зеленым - визуального (Хаббл), а фиолетовым - рентгеновского (от обсерватории Чандра). Называется цветовое кодирование.

А теперь, в эру многосигнальной астрономии, ожидайте появления на снимках еще и гравитационных волн, выраженных каким-нибудь еще цветом:)

Подобные изображения используют уже не столько для восхищения и созерцания, сколько для серьезной науки, изучая морфологию и динамику объектов - например, сравнивая распределение горячего газа в скоплениях галактик с визуальными искажениями изображений галактик, которые дает гравитация, можно судить о наличии темной материи в этих скоплениях.

Насколько все это соответствует вашему интуитивному представлению «как надо»? Нет, совсем не соответствует? Погодите бежать с чемоданами через поле, мы еще немного усугубим общую картину...

Глаз - замечательный инструмент, само совершенство (хотя и не настолько, как собачий нос), но он имеет еще недостатки - например, слепое пятно, из которого пучок проводящих нервов идет в мозг, естественные физиологические отклонения - астигматизм, близорукость/дальнозоркость, дальтонизм как неспособность различать цвета...

Есть и еще один недостаток. При низком освещении колбочки, которые дают ощущение цвета, почти не работают, мы видим так называемыми «палочками», которым цвет особо ни к чему, их задача - обеспечить вас ночным зрением. Ночью все кошки серы, правда? В отличие от матриц, умеющих накапливать фотон за фотоном, при низком освещении - сколько не гляди, сильно больше не увидишь. Под утро зрачок вследствие естественной адаптации расширяется почти до максимального предела - до 6 или 8 мм, у кого как, но такой разницы, как у матриц между экспозициями в секунду и в десятки минут, нет и близко.

Сев на космический корабль, и прилетев к какой-нибудь туманности, мы, в зависимости от ее яркости и площади, занимаемой в нашем поле зрения, вполне можем увидеть вместо шикарного разноцветного калейдоскопа форм и цветов, просто серое, невнятное и непривлекательное скопление пыли и газа... разочарование? Гнев? Отрицание? Отчаяние?

И как вам теперь с этим знанием? Умножил вашу скорбь?

Истинная красота Вселенной заключена даже не в зрелищах, коими она насыщена чуть более, чем полностью, а в том, что она дает пытливому уму возможность понимать красоту законов, ей управляющих...

Согласно современным представлениям, Галактика образовалась около 14 млрд. лет назад из первичного медленно вращавшегося газового облака, по своим размерам превосходившего ее в десятки раз. Первоначально это облако (протогалактика) на 75% состояло из водорода и на 25% - из гелия. В течение примерно 3 миллиардов лет протооблако свободно сжималось под действием сил гравитации.

Этот коллапс неизбежно привел к распаданию облака на части (фрагментации) и началу процесса звездообразования. Сначала газа было много, и он находился на больших расстояниях от плоскости вращения. Возникли звезды первого поколения, а также шаровые скопления.

Звезда рождается, когда в центре сжатого облака достигаются плотности и температуры, достаточные для эффективного протекания термоядерных реакций. В недрах массивных звезд происходил термоядерный синтез химических элементов тяжелее гелия. Эти элементы попали в первичную водородно-гелиевую среду при взрывах звезд или при спокойном истечении вещества со звездами. Элементы тяжелее железа образовались при грандиозных взрывах сверхновых звезд. Таким образом, звезды первого поколения обогатили первичный газ химическими элементами, тяжелее гелия. Эти звезды наиболее старые, они состоят из водорода, гелия и очень малой примеси тяжелых элементов.

Та часть газа, которая не превратилась в звезды, продолжала свой процесс сжатия к центру Галактики. Из-за сохранения момента количества движения, ее вращение становилось быстрее, образовался диск, и, в нем снова начался процесс звездообразования. Звезды второго поколения оказались богатыми тяжелыми элементами, так как они образовались из уже обогащенного тяжелыми элементами первичного газа.

Оставшийся газ сжался в еще более тонкий слой. Так возникла плоская составляющая – звездный диск, который является основной ареной современного звездообразования.

Когда прекратилось сжатие протогалактики, кинетическая энергия образовавшихся звезд диска уравнялась с энергией коллективного гравитационного взаимодействия. В это время создались условия для образования спиральной структуры, а рождение звезд происходит уже в спиральных ветвях, в которых газ достаточно плотный. Это звезды третьего поколения . К ним относится наше Солнце.

Дальнейшую эволюцию Галактики ученые представляют так.

Запасы межзвездного газа постепенно истощатся, рождение звезд станет менее интенсивным. Через несколько миллиардов лет, когда будут исчерпаны все запасы газа, спиральная галактика превратится в линзообразную, состоящую из слабых красных звезд и белых карликов - это сверхплотные звёзды малых размеров, представляющие собой одну из последних стадий эволюции звёзд.

Главная » Полезно знать » «Происхождение и эволюция галактик». Глава из книги