Галактика Молочний Шлях#
Будова галактики#
За межами Сонячної системи, на дистанції понад 100 000 астрономічних одиниць, починається область гравітаційного впливу інших зірок. Спостерігаючи нічне небо без спеціальних пристроїв, людське око здатне побачити приблизно 6000 зірок, організованих у 88 сузір'їв. Фактична кількість зірок значно більша, проте світло від віддалених об'єктів настільки слабке, що їх можна виявити лише за допомогою телескопів. Масивні зоряні угруповання, утримувані гравітаційними силами, називаються галактиками.
Всесвіт вміщує мільярди галактик, серед яких знаходиться наша Галактика - Молочний або Чумацький Шлях, частиною якої є Сонячна система. На нічному небосхилі вона проявляється як характерна сріблиста смуга. Наша Галактика представляє собою грандіозну структуру, в якій незліченна кількість зірок (мільярди) обертаються навколо спільного центру. Гарячі зірки формують диск із спіральними відгалуженнями. Галактики не розподілені рівномірно, а утворюють скупчення, створюючи комірчасту структуру космічного простору. Найвіддаленіші космічні об'єкти, доступні для спостереження сучасними телескопами - квазари, знаходяться на відстані близько 10 мільярдів світлових років від Землі.
Рис. Чумацький Шлях за даними Gaia.
Автор: ESA/Gaia/DPAC. Acknowledgement: A. Moitinho., CC BY-SA IGO 3.0, CC BY-SA 3.0 igo, Посилання. Wiki
Рис. Частина Чумацького Шляху в небі Землі, фотографія зроблена в Національному парку Джаспер.
Автор: Fresh.waffles - Власна робота, CC BY-SA 4.0, Посилання. Wiki
Рис. Панорамна фотографія Чумацького Шляху, зроблена в Долині Смерті.
Автор: Dan Duriscoe, for the en:U.S. National Park Service. - http://antwrp.gsfc.nasa.gov/apod/ap070508.html, Суспільне надбання (Public Domain), Посилання. Wiki
Визначення періоду формування Чумацького Шляху становить значну наукову проблему, проте сучасні дослідження дозволяють оцінити вік найстаріших зірок Галактики приблизно у 13.61 мільярдів років, що майже відповідає віку Всесвіту. Відповідно до актуальних космологічних концепцій, Чумацький Шлях утворився в результаті колізій та об'єднання менших галактичних структур. Підтвердженням цієї теорії є наявність первинних зірок із надзвичайно низьким вмістом металів, які сформувалися на ранніх етапах еволюції Всесвіту. Такі зоряні об'єкти виявляються вченими у галактичному гало - периферійній зоні Чумацького Шляху, що простягається за видимі межі Галактики.
Га́ло галактики - невидимий компонент галактики, сферичної форми, який простягається за видиму частину галактики. В основному складається з розрідженого гарячого газу, зірок і темної матерії. Остання становить основну масу галактики.
Бар - перетинка, яка проходить через центр деяких спіральних галактик, та від якої відгалужуються галактичні рукави.
Балдж (англ. bulge - випуклість) також галактичний балдж - скупчення зір у центральній зоні спіральної галактики, яке має кулясту форму; внутрішня, найщільніша частина сфероїдального компонента спіральної галактики. У спіральних галактиках, які спостерігаються «з ребра», балдж має вигляд кулястого потовщення у центрі диска. Середній радіус балджа ~200 парсек.
Комп'ютерне моделювання, проведене науковцями Гарвард-Смітсонівського астрофізичного центру, вказує на неминуче зближення нашої Галактики з галактикою Андромеди зі швидкістю приблизно 500 тисяч кілометрів на годину, що призведе до їх об'єднання через приблизно 2 мільярди років.
Зірки в межах Галактики організовані в різноманітні системи, які тривалий час співіснують під впливом спільного гравітаційного поля. Більшість зірок входить до подвійних або кратних систем, де компоненти обертаються навколо спільного центру мас за принципом, аналогічним обертанню планет Сонячної системи. Найбільш численні зоряні утворення - зоряні скупчення та асоціації - містять сотні тисяч об'єктів. Кулясті зоряні скупчення включають мільйони зірок, тоді як розсіяні зоряні скупчення складаються з декількох тисяч об'єктів. Найбільш яскраві з них – Плеяди (також відомі як Стожари) та Гіади – можна спостерігати без телескопа в сузір'ї Тільця. Зоряні асоціації об'єднують відносно молоді зірки спільного походження.
Параметри нашої Галактики#
Кількість зір |
4 • 10¹¹ |
|---|---|
Маса |
7 • 10¹¹ М |
Діаметр диска |
3 • 10⁵ св. р. |
Відстань Сонця до центра |
≈ 30 000 св. років |
Галактичний рік |
2.3 • 10⁸ р (≈250 млн р) |
У популярних зображеннях Галактика часто представлена як зоряна система у формі гігантського диска, де всі зірки рухаються в одній площині. Реальна структура Галактики більш складна - вона має сферичну форму з діаметром приблизно 300 000 світлових років. Однак більшість яскравих зірок розташовані переважно в одній площині, що створює ефект світлої туманної смуги на небосхилі, яка в українській традиції отримала назву Чумацький Шлях.
Рис. Схематичний вигляд Чумацького Шляху.
Автор: NASA/JPL-Caltech/R. Hurt - http://www.spitzer.caltech.edu/images/1925-ssc2008-10b-A-Roadmap-to-the-Milky-Way-Annotated-, Суспільне надбання (Public Domain), Посилання. Wiki
Рис. Балдж Чумацького Шляху в уяві художника.
Автор: ESO/NASA/JPL-Caltech/M. Kornmesser/R. Hurt - http://www.eso.org/public/images/eso1339a/, CC BY 4.0, Посилання. Wiki
Термін "Галактика" має давньогрецьке походження і перекладається як "молочний". Варто відзначити, що більшість яскравих зірок, які формують відомі сузір'я (Оріон, Лебідь, Ліра, Орел), розташовані в межах смуги Молочного Шляху. У цій площині також зосереджена значна кількість газопилових туманностей – середовища формування нових поколінь зірок і планетних систем.
Ці об'єкти в сукупності утворюють так звану плоску складову Галактики, до якої належить і Сонячна система. Старіші зірки з меншою світністю, що входять до складу кулястих скупчень, формують сферичну складову Галактики. Хімічний склад зірок кулястих скупчень характеризується значно нижчим (у сотні разів) вмістом важких хімічних елементів порівняно з Сонцем, оскільки ці зірки належать до першого покоління, що сформувалося одночасно з утворенням Галактики приблизно 10–15 мільярдів років тому. Процеси формування молодих зірок і планетних систем відбуваються сьогодні виключно в площині Галактики, де газопилові туманності виникають внаслідок спалахів Нових та Наднових зірок.
Туманності - протяжні згущення газу й міжзоряного пилу в Галактиці, які виявляють себе поглинанням (темні туманності) або випромінюванням (світлі дифузні, емісійні туманності). Темні й світлі туманності відрізняються лише виглядом, методами їх виявлення і спостережень, особливістю випромінювання
Деякі туманності випромінюють світло завдяки освітленню від сусідніх зірок, тоді як інші залишаються темними газовими хмарами. Міжзоряний пил має властивість поглинати світло, що дозволяє астрономам визначати розташування темних туманностей, які затуляють більш віддалені зірки. Коли відбувається спалах зірки, планети, що обертаються навколо неї, зазнають випаровування і трансформуються в газову туманність, яка в подальшому може стати середовищем формування наступного покоління зірок. Таким чином, у Всесвіті функціонує своєрідний цикл перетворення матерії: зірки → спалах зірок → туманність → народження нових зірок.
Особливу категорію становлять планетарні туманності – газові утворення, що оточують зірки. Їхнє світіння забезпечується енергією випромінювання центральної зірки, яка є ядром планетарної туманності. На сьогодні ідентифіковано понад 1500 планетарних туманностей у нашій Галактиці, а також виявлено їх наявність у найближчих галактиках, зокрема в Магелланових Хмарах.
Планета́рна тума́нність - астрономічний об'єкт, що складається з іонізованої газової оболонки й центральної зорі — гарячого білого карлика, що збуджує світіння туманності. Планетарні туманності утворюються внаслідок скидання зовнішніх шарів (оболонок) червоних гігантів масою 2.5—8 мас Сонця на завершальній стадії їхньої еволюції. Планетарна туманність - швидкоплинне явище (за астрономічними мірками), що триває лише кілька десятків тисяч років (тоді як зоря існує мільярди років).
Деякі туманності, за якими легко спостерігати
Сузір'я |
Назва |
Вид |
Півкуля |
Спосіб спостереження |
|---|---|---|---|---|
Водолій |
NGC7293 |
планетарна |
Південна |
У бінокль |
Кіль |
NG3372 |
пилова |
Південна |
У бінокль |
Ліра |
M57 |
планетарна |
Північна |
У телескоп |
Оріон |
M42 |
дифузна |
Південна |
Неозброєним оком |
Стрілець |
M20 |
дифузна |
Південна |
У телескоп |
Лисиця |
M27 |
планетарна |
Північна |
У телескоп |
Місце Сонячної системи в Галактиці#
Сонячна система - Сонце та всі об'єкти, що гравітаційно пов'язані з ним
Сонце розташоване поблизу галактичної площини на відстані приблизно 26 000 світлових років від галактичного ядра. Вектор руху Сонця відносно найближчих зірок спрямований у напрямку сузір'я Геркулес. Сонце, подібно до сусідніх зірок, здійснює обертання навколо ядра Галактики зі швидкістю 230 кілометрів на секунду. Повний цикл такого обертання називається галактичним роком і становить 230 мільйонів земних років. Дослідження параметрів обертання зірок виявляє фундаментальні відмінності у динаміці об'єктів сферичної та плоскої складових Галактики. Зірки плоскої складової обертаються навколо галактичного центру, залишаючись переважно в одній площині, тоді як зірки сферичної складової об'єднані у масивні кулясті скупчення, які рухаються навколо центру по еліптичних орбітах у різних площинах. Аналіз періодів обертання цих скупчень дозволяє зробити висновок, що значна частина галактичної маси зосереджена саме у сферичній складовій. Ця маса може бути представлена об'єктами з малою масою, які не випромінюють у видимому діапазоні спектра, або чорними дірами малої маси.
Підсистеми Галактики та її спіральна структура#
Одним із загадкових аспектів будови Галактики є наявність спіральних рукавів, що беруть початок поблизу галактичного центру. Сонце знаходиться на периферійній ділянці одного з таких рукавів, що має закручену форму в площині галактичного диска. Згідно з сучасними астрономічними теоріями, спіральні рукави виникають як хвилі підвищеної щільності, що формуються під час компресії хмар міжзоряного газу на початкових стадіях зореутворення. Формування зірок у міжзоряних газопилових хмарах супроводжується виникненням ударних хвиль, які стимулюють утворення нових зірок. Спалахи масивних зірок у вигляді Наднових призводять до формування нових туманностей і нових ударних хвиль, що поширюються в міжзоряному середовищі. Таким чином, утворення однієї групи зірок створює умови для формування наступного покоління, процес, який іноді описують як самовідтворення зірок. Подібний механізм може породжувати спіральні хвилі підвищеної щільності не тільки в нашій Галактиці, але й в інших спіральних галактиках.
Кожен спіральний рукав має форму логарифмічної спіралі з кутом нахилу близько 12°. У структурі нашої Галактики ідентифіковано чотири основні спіральні рукави, що походять від галактичного центру. Вони мають власні назви: Рукав Лебедя, Рукав Кентавра, Рукав Стрільця та Рукав Персея. Окрім них, існує також менший за розмірами Рукав Оріона, в якому розташована Сонячна система.
Спіральні рукави є характерною особливістю певних галактик і проявляються як хвилі підвищеної щільності, в межах яких активно формуються нові покоління зірок.
За межами основних спіральних рукавів знаходиться структура, відома як Зовнішнє Кільце або Кільце Єдинорога, що складається з газу та зірок, які були гравітаційно захоплені від інших галактик мільярди років тому.
Кільце Єдинорога представляє собою протяжну кільцеподібну структуру із зірок, що тричі обгортає Чумацький Шлях. Припускається, що це утворення сформувалося внаслідок гравітаційного відривання зоряної матерії від галактики-супутника Великий Пес під дією припливних сил у процесі її поступового поглинання Чумацьким Шляхом. Маса Кільця Єдинорога оцінюється у 100 мільйонів сонячних мас, а його протяжність сягає 200 тисяч світлових років.
Надмасивна чорна діра в центрі Галактики#
У центральній частині нашої Галактики виявлено надзвичайно масивний компактний об'єкт масою приблизно 4,3 мільйони сонячних мас, який знаходиться у напрямку сузір'я Стрільця. Цей об'єкт, відомий як Стрілець A* (англійською Sagittarius A*), за сучасними науковими уявленнями є надмасивною чорною дірою.
Міжнародний науковий колектив з Інституту Макса Планка під керівництвом Райнера Шеделя у 2002 році опублікував результати десятирічних спостережень за рухом зорі S2, яка обертається навколо об'єкта Стрілець А*. Проведені дослідження підтвердили, що Стрілець А* є об'єктом колосальної маси. Аналізуючи параметри орбіти, науковці спершу визначили масу об'єкта як 2,6 мільйонів сонячних мас, сконцентрованих у просторі діаметром не більше 17 світлових годин (що відповідає 120 астрономічним одиницям). Згодом точніші вимірювання скоригували оцінку маси до 3.7-4.0 мільйонів сонячних мас, зосереджених у сфері радіусом не більше 6,25 світлових годин (близько 45 астрономічних одиниць). Для кращого розуміння масштабів: відстань від Сонця до Плутона становить 5.51 світлових годин. Отримані дані дозволили науковцям висунути гіпотезу про те, що об'єкт Стрілець А* є саме чорною дірою.
Дослідження центру Галактики тривалий час залишалося нездійсненним завданням. До завершення 1960-х років астрономи не мали у своєму розпорядженні достатньо потужних технічних засобів для вивчення ядра Галактики через густі хмари космічного пилу, що оточують галактичний центр. Ці хмари повністю блокують видиме світло від ядра та суттєво ускладнюють дослідження в радіодіапазоні.
Ситуація докорінно змінилася з розробкою високоточних інфрачервоних детекторів, які відкрили можливість спостерігати індивідуальні зорі у центральних областях Галактики. Дослідження спектральних особливостей цих зір показало, що переважна їх кількість є молодими світилами віком лише кілька мільйонів років. Ці спостереження спростували раніше прийняті теорії та продемонстрували, що поблизу надмасивної чорної діри відбувається інтенсивний процес формування нових зір. Частина науковців припускає, що джерелом матеріалу для зореутворення служать два плоскі акреційні газові кільця, виявлені в галактичному центрі протягом 1980-х років. Однак залишається проблематичним пояснення процесу зореутворення безпосередньо біля чорної діри, оскільки внутрішній діаметр цих кілець є занадто великим.
Особливу увагу привертають так звані «S-зірки», розташовані на відстані до 10 парсеків від чорної діри. Характерною особливістю цих об'єктів є хаотична орієнтація їхніх орбітальних моментів, що не відповідає акреційній моделі формування. Сучасна теорія пропонує альтернативне пояснення: ці гарячі зорі спочатку сформувалися у віддалених регіонах Галактики, а згодом мігрували до центральної зони, де потужні припливні сили чорної діри зірвали їхні зовнішні газові оболонки.
Чорна діра не випускає з поля тяжіння ані елементарних частинок, ані електромагнітні хвилі. Радіус чорної діри залежить від її маси, і може бути від кількох сантиметрів або метрів до мільярдів кілометрів.
Акреція - падіння речовини на гравітуюче тіло із навколишнього середовища.
Рис. Це перше зображення чорної діри в серці нашої галактики (було опубліковане у 2022 році) в рамках проєкту "Телескоп горизонту подій".
Автор: EHT Collaboration - Astronomers reveal first image of the black hole at the heart of our galaxy (Image link), CC BY 4.0, Посилання. Wiki
Структура Галактики Чумацький Шлях#
Чумацький Шлях є спіральною галактикою з перемичкою (баром). Це означає, що в її центрі розташована витягнута структура з зірок (перемичка або бар), від кінців якої відходять спіральні рукави.
Рис. Велика спіральна галактика з баром (NGC 1365, у сузір'ї Печі) має добре окреслений бар. Зображення є комбінацією трьох знімків із 1,5 метрового данського телескопа в південноєвропейській обсерваторії ла Сільва (Чилі).
Автор: ESO/IDA/Danish 1.5 m/ R. Gendler, J-E. Ovaldsen, C. Thöne, and C. Feron. - http://www.eso.org/public/images/potw1037a/, CC BY 3.0, Посилання. Wiki
Основні компоненти структури:
Диск: Це відносно плоска, обертова структура, що містить більшість зірок, газу та пилу галактики. Саме тут розташовані спіральні рукави. Диск має діаметр близько 100 000 - 120 000 світлових років і товщину близько 1000 світлових років. Наше Сонце розташоване в диску, на внутрішньому краю одного з менших рукавів, який називається Рукав Оріона, приблизно за 26 000 світлових років від центру.
Спіральні Рукави: Це області підвищеної щільності газу, пилу та молодих, яскравих зірок у диску. Вони не є статичними структурами, а скоріше хвилями щільності, крізь які рухається матерія. Основні рукави Чумацького Шляху включають Рукав Персея, Рукав Щита-Центавра, Рукав Норми та Рукав Стрільця.
Балдж (Центральне Випинання): Щільне, майже сферичне або еліпсоїдальне скупчення зірок у центрі галактики, навколо перемички. Зірки в балджі, як правило, старіші та рухаються більш хаотично, ніж у диску.
Гало: Велика, майже сферична область, що оточує диск і балдж. Гало містить дуже старі зірки (часто зібрані в кулясті зоряні скупчення) та, що найважливіше, темну матерію. Темна матерія не випромінює, не поглинає і не розсіює світло, але її гравітаційний вплив є домінуючим на масштабах галактики. Вона становить близько 85% загальної маси Чумацького Шляху і є ключовою для розуміння динаміки обертання галактики.
Вік Галактики:
Визначити точний вік Молочного Шляху складно, оскільки він формувався протягом тривалого часу шляхом злиття менших структур. Однак ми можемо оцінити вік найстаріших компонентів. Найкращим "годинником" для цього є кулясті скупчення в гало. Вивчаючи їхні діаграми колір-світність (які показують розподіл зірок за температурою та світністю), астрономи можуть визначити вік скупчення. Найстаріші кулясті скупчення мають вік близько 13.6 мільярдів років. Це означає, що формування Галактики почалося дуже рано, незабаром після Великого Вибуху (який стався близько 13.8 мільярдів років тому). Диск з його молодими зорями формувався пізніше і продовжує формуватися досі.
Елементи (Склад):
Склад галактики постійно змінюється завдяки зоряній еволюції.
Зорі: Чумацький Шлях містить від 100 до 400 мільярдів зірок. Вони різняться за віком, масою та хімічним складом. Астрономи часто поділяють їх на:
Зорі Популяції I: Молодші, "металічніші" (багатші на елементи важчі за Гелій) зорі, розташовані переважно в диску та спіральних рукавах. Наше Сонце належить до цієї популяції.
Зорі Популяції II: Старіші, "бідніші на метали" зорі, знайдені переважно в гало та балджі.
Міжзоряне Середовище (МЗС): Це газ і пил, що заповнюють простір між зорями. Воно складається переважно з водню (близько 70%) та гелію (близько 28%), а також невеликої частки важчих елементів ("металів") та пилу (складніші молекули, частинки силікатів, графіту тощо). Саме з МЗС формуються нові зорі.
Хімічний Склад: Ранній Всесвіт складався майже виключно з водню та гелію. Важчі елементи (вуглець, кисень, залізо тощо) утворюються всередині зірок через процеси термоядерного синтезу та розсіюються в МЗС під час загибелі зірок (наприклад, у спалахах наднових). Тому молодші зорі та регіони галактики багатші на важкі елементи, ніж старіші.
Темна Матерія: Як згадувалося, вона становить більшу частину маси, але її природа досі залишається однією з найбільших загадок сучасної фізики.
Надмасивна Чорна Діра в Центрі
У самому центрі Чумацького Шляху, в ядрі балджа, розташована надмасивна чорна діра, яка отримала назву Стрілець А* (Sagittarius A*).
Маса: Її маса оцінюється приблизно в 4 мільйони разів більше за масу Сонця.
Розмір: Незважаючи на величезну масу, її фізичний розмір (горизонт подій) відносно невеликий - 45 а.о.
Вплив: Гравітація Стрільця А* домінує в безпосередній близькості від центру галактики. Зорі та газові хмари на її орбіті рухаються з надзвичайно високими швидкостями, що дозволяє астрономам точно виміряти її масу.
Активність: Хоча Стрілець А* зараз відносно спокійна порівняно з надмасивними чорними дірами в активних галактичних ядрах, вона іноді проявляє спалахи рентгенівського та інфрачервоного випромінювання, що свідчить про поглинання невеликих порцій газу чи пилу.
Динаміка: Обертання Галактики
Молочний Шлях обертається. Зорі та газ у диску обертаються навколо Галактичного Центру. Однак це обертання не схоже на обертання твердого тіла. Воно диференційне: об'єкти ближче до центру обертаються швидше, ніж об'єкти далі від центру (якщо б не було темної матерії). Але завдяки гравітації темної матерії, швидкість обертання залишається майже постійною на великих відстанях від центру. Сонце робить повний оберт навколо Галактичного Центру приблизно за 230 мільйонів років. Це називається Галактичним роком.