Галактики. 
Естествознание

Кругом тот мир, где я кажусь ничем;

Во мне роятся мысли, все обнять Готовые…

Байрон

Окружающие Солнце звезды и само Солнце составляют лишь ничтожно малую часть гигантского коллектива звезд и туманностей, которая называется Галактикой. Это скопление звезд мы видим в ясные безлунные ноч как пересекающую небо полосу Млечного Пути. Галактика имеет довольн сложную структуру. В первом, самом грубом приближении, можно считать что звезды и туманности, из которых она состоит, заполняют объем, имеющий форму сильно сжатого эллипсоида вращения. В действительност оказывается, что разные типы звезд совершенно по-разному концентрируются по отношению к центру Галактики и к ее «экваториальной плоскости» Основная часть звезд в Галактике находится в гигантском диске, диамет которого около 100 тыс. световых лет, а толщина около 1600 световых лет В этом диске насчитывается 200 млрд звезд самых различных типов.

Наша Галактика — это гигантский звездный остров, в состав которого входит Солнечная система. Галактика имеет спиральную структуру и состоит из ядра и нескольких спиральных ветвей. Такие Галактик составляют около 50% всех звездных систем. Диаметр звездного ядр Галактики составляет не менее 4000 световых лет, а его масса равна примерно 5% массы всей Галактики. В состав ядра Галактики входит много красных гигантов и короткопериодических цефеид — пульсирующих звезд. Они периодически расширяются и сжимаются. Сжатие наружны слоев вызывает их нагрев. Ядро Галактики не видно в обычных лучах из-з поглощения света пылевыми облаками, но его можно сфотографироват в инфракрасных лучах.

Солнце — одна из этих звезд, находящаяся на периферии Галактики вблизи от ее экваториальной плоскости (точнее, «всего лишь» на расстоянии около 30 световых лет — величина достаточно малая по сравнени с толщиной звездного диска).

Расстояние от Солнца до ядра Галактики (или ее центра) составляет около 30 тыс. световых лет и 22 000 световых лет от края Галактики. Звездная плотность в Галактике весьма неравномерна. Выше всего она в области галактического ядра, где, по последним данным, достигает 2 тыс. звез на кубический парсек, что в 20 тыс. раз больше средней звездной плотности в окрестностях Солнца. Кроме того, звезды имеют тенденцию образовывать отдельные группы или скопления. В Галактике имеются и структурные детали гораздо больших масштабов. Исследованиями последни лет доказано, что туманности, а также горячие массивные звезды распределены вдоль ветвей спирали. Особенно хорошо спиральная структура видн у других звездных систем — галактик. Звезды и туманности в предела Галактики движутся довольно сложным образом. Прежде всего они участвуют во вращении Галактики вокруг оси, перпендикулярной к ее экваториальной плоскости. Это вращение не такое, как у твердого тела: различные участки Галактики имеют разные периоды вращения. Так, Солнц и окружающие его в огромной области размером в несколько сотен световых лет звезды совершают полный оборот за время около 200 млн лет Так как Солнце вместе с семьей планет существует, по-видимому, окол 5 млрд лет, то за время своей эволюции (от рождения из газовой туманности до нынешнего состояния) оно совершило примерно 25 оборотов вокру оси вращения Галактики. Скорость движения Солнца и соседних с ни звезд по их почти круговым галактическим орбитам достигает 250 км/с На это регулярное движение вокруг галактического ядра накладываютс хаотические, беспорядочные движения звезд. Скорости таких движени значительно меньше — порядка 10—50 км/с, причем у объектов разны типов они различны. Меньше всего скорости у горячих массивных звез (6—8 км/с), у звезд солнечного типа они около 20 км/с. Звезды почт никогда не сталкиваются друг с другом, хотя движение каждой из них определяется полем силы тяготения, создаваемым всеми звездами в Галактике.

Значительная роль в Галактике принадлежит темной диффузной материи. Плотность диффузных туманностей очень мала, в среднем 10 ²³ г/см³, или несколько атомов водорода на 1 см³. Газовые диффузные туманност образуют в галактической плоскости слой толщиной всего лишь окол 1200 световых лет. Они принадлежат к населению, характерному для спиральных ветвей Галактики. Размеры туманностей огромны — от нескольких до сотни световых лет. Но ввиду огромной протяженности туманносте их масса весьма велика и составляет несколько сот миллионов солнечны масс. Возможно, часть диффузного вещества была выброшена горячими звездами в ходе их эволюции; происхождение же остального вещества еще неясно. Галактика включает в себя около 100 млн диффузных туманностей, состоящих из пыли и межзвездного газа. Общая масса Галактик составляет примерно около 120 млрд солнечных масс, или 2,5* 10⁴⁴ г. Есл говорить о массе видимого вещества нашей галактики, то примерно 95% е приходится на долю звезд, а около 5% — на межзвездный газ и пыль. Пространство Галактики пронизано потоками заряженных частиц огромны энергий, а на межзвездный газ действует магнитное поле.

Другие галактики. В начале XX в. было доказано, что некоторые туманные пятна, видимые в телескоп в разных участках неба, находятся вне нашей Галактики и представляют собой другие галактики, каждая из которых, подобно нашей, состоит из многих миллиардов звезд. Таким образом наблюдаемая нами часть Вселенной, называемая Метагалактикой, представляет собой совокупность звездных систем — галактик, движущихс в огромном пространстве Космоса. Ближайшие к нашей звездной систем галактики — Магеллановы Облака, хорошо видные на небе южного полушария как два больших пятна примерно такой же поверхностной яркости как и Млечный Путь. Расстояние до Магеллановых Облаков «всего лишь"В около 200 тыс. световых лет, что вполне сравнимо с общей протяженность нашей Галактики. Другая «близкая» к нам галактика — это туманност в созвездии Андромеды. Она видна невооруженным глазом как слабое световое пятнышко. На самом деле это огромный звездный мир, по количеству звезд и полной массе раза в три превышающий нашу Галактику, которая, в свою очередь, является гигантом среди галактик. Многие из галакти удалены от нас на расстояния, которые свет проходит за миллиарды лет Это означает, что этот свет был излучен такой удаленной галактикой ещ задолго до архейского периода геологической истории Земли!

Мир галактик поражает своим разнообразием. Галактики резко отличаются размерами, числом входящих в них звезд, светимостью, внешним видом. По внешнему виду галактики условно разделены на три основны типа: эллиптические, спиральные и неправильной формы. Первоначальной стадией являются галактики неправильной формы. Из них возникаю спиральные галактики, имеющие четко выраженную форму вращения. ИВ наконец, третьей стадией являются эллиптические галактики, имеющи сфероидальную форму.

Неправильные галактики состоят из значительных масс газопылевой материи и из «молодых» звезд, излучающих большое количество энергии где отсутствуют ядра. Подобные звезды, существующие и в нашей Галактике, относятся к так называемому «населению I», в отличие от «старых"В звезд, которые составляют «население И». Представителей звезд «населения II» в неправильных галактиках не обнаружено. Два больших звездных облака, которые получили название Большое и Малое Магелланов облака, относятся к типу неправильных галактик. Они являются спутниками нашей Галактики. Неправильные галактики значительно меньше спиральных и встречаются редко.

Спиральные галактики состоят как из «звезд населения I», так и звезд «населения II». Здесь имеются четко выраженные сферические подси стемы, составляющие ядро, и плоские подсистемы, образующие спиральные ветви Галактики. Наша Галактика принадлежит к числу спиральных. Ветви спиральных галактик, как и у нашей Галактики, состоят из горячи звезд, цефеид, сверхгигантов, рассеянных звездных скоплений и газовы туманностей. Галактики излучают различные электромагнитные волны Такие излучения исходят от нейтрального водорода, а также от ионизированного горячего водорода в светлых туманностях. Нейтрального водород в них содержится около 10% от массы галактики.

В эллиптических туманностях преобладают звезды «населения II», образующие сферические подсистемы. Спиральные ветви здесь уже отсутствуют, и соответственно очень редко встречаются звезды «населения I» Эллиптические галактики можно рассматривать как системы, которы израсходовали основную массу диффузной материи вследствие образования из нее звезд и находятся на завершающей стадии эволюции. Они вращаются крайне медленно и потому слабо сплюснуты в отличие от быстр вращающихся спиральных галактик. По виду эллиптические галактик похожи на шаровые звездные скопления. Они не содержат ни звезд-сверхгигантов, ни диффузных туманностей.

Итак, развитие галактик, по-видимому, начинается с огромного, медленно вращающегося протооблака газа и пыли, которое по мере сжатия начинает вращаться с увеличивающейся скоростью. В процессе сжати происходит образование звезд различных масс и светимостей. Постепенн в неправильной галактике возникают ядро и звездные спиральные ветви имеющие центральную перемычку из темного диффузного вещества. Вначале ядро галактики относительно невелико по своей массе, но с развитие системы оно увеличивается, так что постепенно спиральная галактик переходит в эллиптическую. В эллиптической галактике темное диффузное вещество присутствует уже в относительно небольшом количестве, та как оно уже пошло на образование звезд.

Галактики, подобно звездам, наблюдаются группами. Например, нашу Галактику, Магеллановы Облака и еще около 20 небольших спутнико нашей Галактики можно рассматривать как кратную систему. Согласн современным представлениям для Вселенной характерна ячеистая (иногда говорят сетчатая или пористая) структура.

Самые далекие из наблюдаемых объектов находятся от нас на расстоянии около 10 млрд световых лет. До ближайших звезд нашей Галактики — несколько световых лет. Промежуточные расстояния можно описать следующим образом. Диаметр нашей Галактики — почти 100 тыс. световы лет. Эта величина в несколько десятков тысяч раз превышает расстояни до ближайших звезд, наша Галактика не принадлежит к числу маленьких Размер среднего скопления галактик еще в 100 раз больше, он может превышать десяток миллионов световых лет. Размеры наибольших различимых деталей в распределении галактик типа нитей и пустот еще в десятк раз больше. Но все равно размеры этих деталей в 50—100 раз меньше размеров всей наблюдаемой части Вселенной.

Есть данные о возможном наличии во Вселенной несветящегося вещества, так называемой скрытой массы. Ее средняя плотность может раз в десять превышать среднюю плотность светящегося вещества, сосредоточенного в звездах и галактиках. В какой форме реализована эта скрытая масса, пока неизвестно.

Наблюдаемый факт имеет грандиозное значение и состоит в том, что система галактик не является статичной, а расширяется. Конечно, отдельные галактики и компактные скопления образуют стабильные гравитационно связанные системы и не расширяются. Закон расширения устанавливается наиболее четко для системы скоплений галактик. Обычн рассматривают ярчайшие члены скоплений, расположенные, как правило в центрах скоплений. Из огромного числа наблюдений вытекает, что дл любой пары таких объектов скорость их удаления друг от друга пропорциональна расстоянию между ними.

Такой простой закон применим по крайней мере к галактикам, для которых входящая в это соотношение скорость меньше скорости света Коэффициент пропорциональности между скоростью разбегания галактик и расстоянием между ними называется параметром Хаббла. Обратна величина имеет размерность времени, ее-то и называют возрастом Вселенной. Это название обусловлено тем, что, разлетаясь с постоянной относительной скоростью, любая пара объектов успела бы за это время увеличит взаимное расстояние от нуля до наблюдаемого сейчас значения. По современным данным, возраст Вселенной равен 10—20 млрд лег.

Известны независимые оценки возраста отдельных астрономических систем: Солнечной системы, звезд, звездных скоплений, галактик. Эт оценки основаны на данных об относительном содержании различны химических элементов и на теории звездной эволюции. Возраст Солнечно системы оценивается в 5 млрд лет, возраст старейших шаровых звездны скоплений и косвенно галактик 11 — 13 млрд лет.

При расширении средняя плотность вещества падает, и, следовательно, в догалактическую эпоху оно было более плотным и горячим. Можно с уверенностью сказать, что 10—20 млн лет назад Вселенная была совершенн не похожа на ту, которую мы сейчас наблюдаем. Этот вывод убедительн подтверждается существованием так называемого реликтового излучения открытого в 1965 г. с помощью радиотелескопов. От излучения изолированных объектов оно отличается тем, что приходит не от отдельных источников, а со всех направлений, равномерно заполняя всю небесную сферу Его температура около трех градусов по абсолютной шкале.

Еще одна группа наблюдаемых явлений, входящая важной составной частью в наши представления о современной и ранней Вселенной, касаетс химического состава окружающего нас вещества. Самым распространенным элементом является водород. На его долю приходится около 75% все массы вещества. Почти все остальное — на долю гелия. Легкие и тяжелы элементы, встречающиеся в природе, представлены лишь долями процента Все вместе они едва ли дают 2% вклада в общую массу вещества. С это точки зрения планеты, построенные из тяжелых элементов, являются чрезвычайно большой редкостью.

Элементы от углерода до железа возникают в недрах звезд на спокойной стадии их эволюции как продукт термоядерных реакций. Более тяжелые элементы образуются во взрывных процессах типа вспышек сверхновых звезд. В результате взрывов массивных звезд, быстро заканчивающих сво эволюцию, разнообразные химические элементы попадают в межзвездны газ. Гелий и некоторые другие легкие элементы имеют дозвездное происхождение.