6.2. Галактика Млечный Путь


6.2.1. Форма и общая структура Галактики

Панорама Галактики

Галактика Млечный Путь (или просто Галактика) — гигантская звёздная система, в которой находится Солнечная система, все видимые невооружённым глазом отдельные звёзды, а также огромное количество звёзд, сливающихся вместе и наблюдаемых в виде млечного пути.

Млечный Путь — одна из многочисленных галактик Вселенной. Является спиральной галактикой с четырьмя рукавами и перемычкой типа SBb по классификации Хаббла, и вместе с галактикой Андромеды (M31) и галактикой Треугольника (М33), а также несколькими десятками меньших галактик-спутников образует Местную группу галактик, которая, в свою очередь, входит в Сверхскопление Девы.

Компьютерная модель Галактики: вид «сверху»

Галактика Млечный Путь представляет собой огромную сплюснутую систему, симметричную относительно главной плоскости и состоящую из более чем 150 млрд. звёзд, разреженного газа, пыли и космических лучей. Поперечник Галактики составляет около 30 кпк (100 тыс. св. лет).

Важнейшими элементами структуры Галактики являются сферическая составляющая, центральное сгущение (балдж), звёздно-газово-пылевой диск, спиральные рукава (ветви).

Схема строения Галактики

В средней части Галактики находится утолщение (балдж), составляющее около 5 кпк в поперечнике. Центр Галактики при наблюдении из Солнечной системы проецируется в созвездие Стрельца.

В галактической плоскости сосредоточено большое количество межзвёздной пыли, благодаря которой свет, идущий от галактического центра, ослабляется в 1012 раз. Поэтому центр невидим в оптическом диапазоне. Галактический центр наблюдается в радио-, ИК, рентгеновском и гамма-диапазонах. Масса центрального скопления составляет примерно 109.

Строение Галактики


Ядра галактик являются центрами их конденсации и начального звёздообразования. Там должны находиться самые старые звёзды. По всей видимости, в самом центре ядра Галактики находится сверхмассивная чёрная дыра (Стрелец А*) массой около 3,7 × 106, что показано исследованием орбит близлежащих звёзд. По направлению к центру Галактики, а также по мере приближения к её плоскости звёздная плотность возрастает и в центре составляет 105–106 звёзд в пк3, при этом в окрестности Солнца звёздная плотность всего 0,12 пк–3.

Центр Галактики в ИК диапазоне

Звёздный диск содержит основное количество звёзд Галактики. В диске Галактики находится Солнце и практически все звёзды, наблюдаемые невооружённым глазом. В экваториальной плоскости диска концентрируются наиболее молодые объекты Галактики – звёзды ранних спектральных классов О и В, классические цефеиды, сверхновые второго типа, пыль и газ. Все эти объекты образуют наиболее тонкий диск (плоскую составляющую Галактики) толщиной 100–200 пк. Старые звёзды и связанные с ними планетарные туманности образуют более толстый диск. Толщина всего звёздного диска составляет 500–600 пк.

Рукава Галактики

Галактика относится к классу спиральных галактик, что означает, что у Галактики есть спиральные рукава (ветви), расположенные в плоскости диска. Именно в рукавах находятся наиболее молодые объекты (массивные концентрации газа и молодых звёзд) звёздного диска Галактики.

Сферическая составляющая включает старые звёзды и шаровые звёздные скопления, окружённые очень разреженным горячим слабо намагниченным газом. Гало Галактики — невидимый компонент Галактики сферической формы, который простирается за видимую часть Галактики. В основном состоит из разреженного газа, звёзд и тёмной материи. Последняя составляет основную массу Галактики.

Пузыри Ферми



В 2010-м году в результате наблюдений в гамма-диапазоне с помощью космического телескопа им. Ферми (Fermi Gamma-ray Space Telescope) над и под ядром Галактики открыты пузыри Ферми (названы в честь телескопа) – гигантские (диаметр каждого около 25 тыс. св. лет) области пространства, испускающие электромагнитное излучение в рентгеновском (ближе к ядру Галактики) и гамма-диапазонах (на периферии). Пузыри Ферми образуются в результате уменьшения длины волны излучения при рассеянии фотонов на движущихся электронах (обратное комптоновское рассеяние), выбрасываемых чёрной дырой, находящейся в ядре Галактики.

Пузыри Ферми


Солнце расположено в рукаве Ориона на 20–25 пк выше плоскости симметрии нашей Галактики и удалено от центра на расстояние 7,5–8 кпк (26000 св. лет). Для ориентации среди объектов Галактики принята галактическая система координат. Положение объектов в этой системе небесных координат задаётся галактическими долготой λ и широтой β.

6.2.2. Вращение и масса Галактики


Близкие к Солнцу звёзды движутся вместе с ним перпендикулярно к направлению на центр Галактики. Это движение является следствием общего вращения Галактики, скорость которого меняется с расстоянием от её центра (дифференциальное вращение). Такое вращение имеет следующие особенности:

1. Вращение происходит по часовой стрелке, если смотреть на Галактику со стороны её северного полюса.

2. Угловая скорость вращения убывает по мере удаления от центра. Однако это убывание медленнее, чем если бы вращение звёзд вокруг центра Галактики происходило по законам Кеплера.

3. Центральная часть диска в области балджа вращается почти твёрдотельно, и поэтому линейная скорость вращения растёт пропорционально расстоянию вплоть до максимального значения около 250 км/с.

4. Солнце и звёзды в его окрестности совершают полный оборот вокруг центра Галактики примерно за 240–250 млн. лет. Орбитальная скорость Солнца равна 217 км/с.

5. Масса Галактики может быть оценена из условия, что движение объектов происходит по кривой, близкой к окружности. Из условия равенства центростремительного ускорения на расстоянии r = 15 кпк и гравитационного, обусловленного массой, заключённой внутри радиуса r, получаем массу Галактики:

Galaxy = v2r/G ≈ 3 × 1041 кг ≈ 1011.

Кривая вращения звёзд Галактики

Из всей видимой массы Галактики примерно 98% процентов приходится на массы звезд и около 2% – на газ, пыль и другие составляющие.

Таким образом, в результате наблюдений установлено, что звёзды вращаются вокруг центра Галактики с постоянной скоростью в большом диапазоне расстояний от центра галактики, причём гораздо быстрее, чем ожидалось, если бы они находились в потенциале Ньютона.

Проблема вращения галактик – это несоответствие между наблюдаемыми скоростями вращения материи в дисковых частях спиральных галактик и предсказаниями классической динамики, учитывающими только видимую массу. В настоящее время считается, что это несоответствие выдаёт присутствие «тёмной материи», которая пронизывает Галактику и простирается до галактического гало.



6.2.3. Происхождение и эволюция Галактики


Согласно современным представлениям, Галактика образовалась примерно через 400 тыс. лет после Большого Взрыва из медленно вращавшегося газового облака, по своим размерам превосходившего её современные размеры в десятки раз. Первоначально оно состояло из смеси 75% водорода и 25% гелия (по массе) и почти не содержало тяжёлых элементов.

Эволюция Галактики


В течение примерно миллиарда лет это облако свободно сжималось под действием сил гравитации. Коллапс неизбежно привёл к фрагментации и началу процесса звёздообразования. Сначала газа было много, и он находился на больших расстояниях от плоскости вращения. Возникли звёзды первого поколения, а также шаровые скопления. Их современное распределение (гало) соответствует первоначальному распределению газа, близкому к сферическому. Наиболее массивные звёзды первого поколения быстро проэволюционировали и обогатили межзвёздную среду тяжёлыми элементами (главным образом за счёт вспышек сверхновых). Та часть газа, которая не превратилась в звёзды, продолжала свой процесс сжатия к центру Галактики. Из-за сохранения момента количества движения, её вращение становилось быстрее, образовался диск, и в нём снова начался процесс звёздообразования. Второе поколение звёзд оказалось более богатым тяжёлыми элементами. Оставшийся газ сжался в более тонкий слой, в результате чего возникла плоская составляющая – основная область современного звёздообразования.

6.2.4. Тёмная масса и её возможные носители


Концепция тёмной (или скрытой) материи (массы) (Cold Dark Matter) Вселенной основана на необходимости объяснения ряда наблюдаемых астрофизических эффектов: распределения скоростей звёзд в Галактике, гравитационного линзирования излучения удалённых объектов тёмными гало (сферическими составляющими) галактик, вириального парадокса, формирования крупномасштабной структуры Вселенной и др.

Скопления галактик обнаруживают следующую особенность: для многих из них масса, определённая по скоростям собственного движения галактик в скоплении, оказывается заметно больше массы, определённой по общей светимости галактик.

Массу скопления, определённую на основе теоремы вириала, называют вириальной. В соответствии с теоремой вириала для связанной стационарной системы, части которой взаимодействуют друг с другом по закону 1/r, кинетическая энергия такой системы равна половине модуля её потенциальной энергии.

Для частицы массой m, обращающейся по круговой орбите вокруг центральной массы ℳ:

Eкин = ½|Eграв| = mv2/2 = Gℳm/(2R).

Если известны размер скопления R и дисперсия скоростей галактик v, то можно получить оценку вириальной массы скопления:

vt ≈ v2R/G.

Другой способ определения массы скопления состоит в том, что полную наблюдаемую светимость скопления умножают на стандартное отношение масса/светимость, найденное независимо для отдельных галактик. Такое отношение различно для галактик различных типов, но если известно, что в данном скоплении преобладают галактики какого-то определённого типа, то суммарную массу этих галактик таким способом действительно можно оценить.

Оказывается, что суммарная масса галактик меньше вириальной массы скопления (вириальный парадокс):

vt > ℳL.

Для разрешения вириального парадокса, объяснения кривых дифференциального вращения галактик и некоторых других явлений необходимо наличие в галактиках и их скоплениях значительных масс скрытого (тёмного, т.е. несветящегося) вещества. По современным данным средняя плотность наблюдаемого вещества составляет 3 × 10–31 г/см3, а средняя плотность Вселенной на два порядка больше (10–29 г/см3).

В отличие от обычного барионного «светящегося» вещества, под тёмной понимается материя, которая не принимает участия в электрослабом взаимодействии (т.е., в частности, не испускает и не поглощает электромагнитное излучение), и присутствие которой обнаруживается только по гравитационным эффектам.

В настоящее время предполагается, что на долю обычной барионной материи приходится не более 5% плотности Вселенной. Примерно половину барионной материи составляют светящиеся объёкты (видимая материя) – звёзды, межзвёздные газопылевые облака, планеты. Тёмная барионная материя – это макроскопические объекты гало галактик (Massive Astrophysical Compact Halo Objects, MACHO): маломассивные звёзды (коричневые карлики), очень массивные юпитероподобные планеты, остывшие белые карлики, нейтронные звёзды и чёрные дыры.

Около 23% плотности Вселенной составляет тёмная материя, носители которой имеют небарионную природу. В зависимости от скоростей частиц различают горячую и холодную тёмную материю. Горячая тёмная материя состоит из частиц, движущихся с околосветовыми скоростями, по-видимому, из нейтрино. Холодная тёмная материя должна состоять из массивных медленно движущихся («холодных») частиц или сгустков вещества. Экспериментально такие частицы пока не обнаружены. В качестве кандидатов на роль холодной тёмной материи выступают слабо взаимодействующие массивные частицы (Weakly Interactive Massive Particles, WIMP): аксионы, фотино, гравитино и др. (дополнительно о тёмной материи см. в разделе 7.3.12).

6.2.5. Общая характеристика ближайших галактик. Столкновение галактик


Невооружённым глазом в безлунную ночь на небе видны только три объекта, не принадлежащие нашей Галактике – Туманность Андромеды, Большое и Малое Магеллановы Облака (два последних видны только в южном полушарии). Каждый из этих объектов представляет собой отдельную галактику.

Туманность Андромеды

Туманность Андромеды — спиральная галактика типа Sb. Эта ближайшая к Млечному Пути сверхгигантская галактика находится на расстоянии 2,54 млн. св. лет от Солнечной системы. Её протяжённость составляет 260 тыс. св. лет, что в 2,6 раза больше, чем у Млечного Пути. По современным данным, в её состав входит около триллиона звёзд.

Большое Магелланово Облако



Большое Магелланово Облако (БМО) — карликовая галактика типа SBm, расположенная на расстоянии около 168 тыс. св. лет от нашей Галактики. Она занимает область неба южного полушария в созвездиях Золотой Рыбы и Столовой Горы и на наших широтах никогда не видна. БМО приблизительно в 20 раз меньше по диаметру, чем Млечный Путь и содержит около 5 млрд. звёзд. Малое Магелланово Облако — карликовая галактика типа SBm, спутник Млечного Пути. Находится на расстоянии около 200 тыс. св. лет в созвездии Тукана. Содержит только 1,5 млрд. звёзд.

Малое Магелланово Облако



Ближайшая к Солнечной системе галактика (расстояние 25 тысяч св. лет) – это карликовая галактика в созвездии Большого Пса (CMa Dwarf), состоящая всего из 1 млрд. звёзд.

Приблизительно через 5 млрд. лет должно произойти столкновение галактик Млечный Путь и Туманность Андромеды. Как и при всех подобных столкновениях, из-за малой концентрации вещества в галактиках и крайней удаленности объектов друг от друга маловероятно, что объекты вроде звёзд действительно столкнутся. Если это предположение верно, то звёзды и газ Туманности Андромеды станут видны невооруженным взглядом примерно через 3 млрд. лет. Если столкновение произойдет, то галактики, скорее всего, сольются в одну большую галактику.

В настоящее время известно, что Туманность Андромеды приближается к Млечному Пути со скоростью около 300 км/с, но произойдёт ли столкновение или галактики просто разойдутся, пока точно не известно. По крайней мере, даже если не произойдёт столкновения самих дисков, гало тёмной материи двух галактик столкнутся.

Столкновение галактик



Дополнительная литература:

В.Н. Лукаш, Е.В. Михеева. Тёмная материя: от начальных условий до образования структуры Вселенной

J. Dubinski. The great Milky Way – Andromeda collision

F. Bournaud, F. Combes. Gas accretion on spiral galaxies: bar formation and renewal