Галактики. 
Эволюции Галактик

1. Общие представления о галактиках.

Галактики — это совокупности огромного количества звезд, межзвездных пыли, газа и других небесных объектов, объединенных в единую систему силами всемирного тяготения. Их размеры составляют примерно 1020−1022м. Число звезд в галактиках может достигать сотен и даже тысяч миллиардов. Однако существуют и карликовые галактики, содержащие десятки миллионов звезд. В видимой Вселенной, размер которой в настоящее время составляет 1026m, могут находиться, по оценкам ученых, сотни миллиардов галактик. Солнечная система входит в состав галактики, которая называется Первые галактики стали формироваться во Вселенной через несколько сотен миллионов лет после ее рождения. В 1948 г. Г.Гамов. (1904;1968) выдвинул гипотезу' рождения Вселенной в результате Большого Взрыва, который создал пространство, время, материю, а, следовательно, и энергию окружающего нас мира. В настоящее время считается, что это было около 13−15 млрд. лет. назад. Существует предположение, что большинство известных галактик образовались приблизительно в одно время.

Из теории Г. Гамова следует, что ранняя Вселенная имела очень высокую температуру (100 млрд. К) и большую плотность (1012кг/м3). Расширяясь, она охлаждалась. Начальная стадия быстрого расширения Вселенной названа инфляцией. До возраста, приблизительно равного 300 тыс. лет, она состояла из горячего вещества (электронов, позитронов, протонов, нейтронов, нейтрино и антинейтрино) и излучения (фотонов), которые взаимодействовали между собой и равномерно заполняли пространство ранней Вселенной. Когда ее температура снизилась до нескольких тысяч градусов, стали образовываться первые атомы (водорода, гелия и их изотопов), и вещество отделилось от излучения. В настоящее время температура такого излучения, которое назвали реликтовым, равна приблизительно 2.7 К, оно является изотропным (одинаковым по всем направлениям) и равномерно заполняет пространство Вселенной. Реликтовое излучение открыли в 1965 г. американские физики А. Пензиас и Р.Вилсон. В 1992 г. были обнаружены небольшие колебания его температуры в пределах от 2.7249 К до 2.7251 К в зависимости от направления. Температурные флуктуации реликтового излучения соответствуют слабым сгущениям материи в ранней Вселенной, благодаря которым стало возможным образование звезд и галактик.

Долгое время Вселенная была темной и холодной, т.к. ничто ее не освещало. Эта стадия развития Вселенной, названная «Темными, веками», закончилась, когда образовались первые звезды. Они возникли в результате концентрации водорода и гелия в местах с повышенной плотностью вещества. Силы гравитации сжали и нагрели такие сгустки, что привело к термоядерным реакциям синтеза химических элементов в их недрах, обеспечивающим энергией светимость звезд и галактик. По оценкам ученых переход от однородной водородно-гелиевой Вселенной к структурной Вселенной с галактиками и звездами длился от 1-го до 3-х миллиардов лет.

Ученые считают, что образование звезд и галактик в расширяющейся Вселенной было обусловлено существованием пространственной неоднородности вещества, возникшей из квантовых флуктуаций материи при рождении Вселенной, и гравитационной неустойчивостью любого неравномерного распределения масс (область пространства с большей плотностью вещества притягивает окружающие массы и таким образом способствует еще большему его уплотнению).

Галактики распределены во Вселенной не хаотично. Они сгруппированы в скопления, которые являются составными частями более крупных объектовсверхскоплений галактик. Характерный размер скоплений — 1023 м, сверхскоплений -1024м. Млечный Путь вместе с Туманностью Андромеды и 34 меньшими галактиками 'входит в состав скопления, названного Местной группой, поперечный размер которой приблизительно равен нескольким миллионам лет. Ученые предполагают, что многие галактики, включая Млечный Путь, образовались миллиарды лет назад путем соединения более мелких.

В конце 70-х годов XX века было установлено, что Вселенная имеет ячеистую структуру и что галактики располагаются вблизи границ ее ячеек.

Большинство галактик во Вселенной вращаются, и если сложить их моменты импульса, то получится небольшая, но отличная от 0 величина. Согласно закону сохранения момента импульса именно такое значение имел момент импульса в рождающейся Вселенной. Поэтому она родилась вращающейся.

2. Разбегание галактик.

В 1922 г. российский математик А. А. Фридман (1888−1925) получил из уравнений общей теории относительности А. Эйнштейна (1879−1955) такие решения, из которых следовала нестационарность нашей Вселенной: ее расширение или сжатие.

Приблизительно в то же время астрономы обнаружили, что спектры излучения далеких звезд смещены в красную сторону по сравнению со спектрами ближних звезд. Это можно было объяснить с помощью эффекта 'Доплера, если предположить, что галактики удаляются от Земли. Согласно эффекту Доплера, если объект, излучающий волны любой природы, приближается к наблюдателю, то наблюдатель будет регистрировать волны меньшей длины, а если объект удаляетсято большей. Таким образом, излучение приближающегося объекта смещается для наблюдателя в фиолетовую часть спектра, а удаляющегося — в красную.

Разбегание галактик, обнаруженное Э. Хабблом, свидетельствовало о расширении Вселенной и таким образом подтвердило гипотезу А. А. Фридмана. Однако имеются и исключения из общего правила: некоторые галактики сближаются. Например, Млечный путь и Туманность Андромеды У Вселенной нет центра, от которого разлетались бы галактики. Их разбегание непрерывно увеличивает расстояние между ними. При этом размеры самих галактик практически не меняются, т.к. между их объектами действуют огромные силы гравитационного притяжения.

3. Типы галактик.

В центральных областях галактик (ядрах) расположение звезд является более плотным, чем на их окраинах. Предполагается, что в ядрах галактик могут находиться черные дырыобъекты, обладающие огромным гравитационным полем, затягивающим вещество и излучение и не позволяющим им вырваться наружу.

По типам строения все галактики делятся на эллиптические, спиральные и неправильные. Эллиптические галактики (к этому типу относятся 13% галактик в видимой Вселенной) имеют красноватый цвет, который определяется излучением их старых звезд, распределенных в объеме, форма которого напоминает эллипсоид. Большинство таких галактик находятся в огромных галактических скоплениях.

Спиральными являются 34% галактик в наблюдаемой Вселенной. В их ядрах находятся старые звезды, а в спиральных рукавах — молодые, в основном, голубые звезды. Спиральными галактиками являются, например, Млечный Путь и Туманность Андромеды.

Оставшиеся 53% галактик видимой Вселенной называются неправильными, т.к. в их строении не выявлено характерных особенностей. Около половины вещества в таких галактиках составляет межзвездный газ, а среди их звезд присутствуют как молодые, так и старые. Неправильными являются ближайшие к нам галактики — Большое и Малое Магеллановы Облака, которые находятся на расстоянии около 170 тыс. световых лет от Млечного Пути. Обе эти галактики меньше нашей. Их можно увидеть невооруженным глазом только в южном полушарии. Впервые их наблюдали участники кругосветного путешествия Ф.Магеллана.

Массы галактик, оцениваемые по светящемуся веществу, изменяются в широком диапазоне: от 106 Мс до 1012 Мс (Мс ~ масса Солнца, равная 1.99*1030 кг).

Полная энергия, испускаемая галактикой в окружающее пространство, определяется суммой излучений всех ее звезд — видимых и невидимых. Если в центре галактики с большой плотностью вещества расположена черная дыра с массой от миллиона до миллиарда солнечных масс, то она будет поглощать это вещество. Под действием огромного гравитационного притяжения черной дыры падающее в нее вещество должно разогреваться и излучать энергию. В настоящее время ученые периодически регистрируют мощные вспышки рентгеновского излучения из центральных областей некоторых галактик, что свидетельствует о возможном нахождении там массивных черных дыр.

Во Вселенной существуют мощные источники электромагнитного излучения. размеры которых больше звезд, но меньше галактик. Они были открыты в 1963 г. и названы квазарами — квазизвёздными радиоисточниками. Диаметр квазаров составляет приблизительно несколько световых недель, а масса превосходит 106 Мс. Возраст самых отдаленных квазаров — около 12 млрд. лет. Светимость квазара может быть эквивалентной излучению десятков галактик. В настоящее время открыты тысячи квазаров, большинство которых расположены на границах видимой Вселенной. Предполагается, что квазары — это гигантские черные дыры с массой около 100 млн. солнечных масс, расположенные в плотных ядрах галактик и преобразующие гравитационную энергию падающего вещества в излучение.

Эволюция галактик. Непосредственно проследить эволюцию отдельной галактики из-за огромного времени ее жизни нельзя. Но ученым предоставлена возможность изучения эволюционных этапов галактик по наблюдению за различными звездами и галактиками, находящимися на разных этапах своего развития. Из-за огромных расстояний во Вселенной и наличия предельной скорости распространения сигналов в ней мы видим звезды и галактики такими, какими они были много лет назад. Чем дальше от Земли находится галактика, тем более молодой она предстает перед нами. Туманность Андромеды мы видим такой, какой она была 2.3 млн. лет назад. В марте 2003 г. японские ученые обнаружили в созвездии Волосы Вероники с помощью телескопа «Субару» самую удаленную из известных в настоящее время галактик: свет, достигающий Земли сейчас, был испущен ею около 12.8 млрд. лет назад.

За многие миллиарды лет существования Вселенной галактики рождались, умирали, разбегались и соединялись, поглощая друг друга и образуя новые звездные системы.

Первыми… структурами, образовавшимися в ранней Вселенной, были небольшие протогалактики, массы которых равнялись нескольким тысячам солнечных масс. Вероятнее всего главными движущими силами эволюции галактик и причиной их разнообразия являются взаимодействие между ними и столкновения галактик друг с другом. При этом вероятность столкновения звезд, входящих в галактики, очень мала. т.к. межзвездные расстояния велики по сравнению с их размерами. Поэтому при галактических столкновениях в основном взаимодействуют межзвездные пыль и газ, что приводит к нарушению структур газопылевых сред и перекачиванию вещества из одной галактики в другую. Трение между газами в сталкивающихся галактиках порождает ударные волны, которые могут способствовать рождению новых звезд. Процессы слияния галактик длятся миллионы лет.

Считается, что в ранней Вселенной столкновения галактик были очень частыми. Млечный Путь, видимо, тоже является результатом соединения двух небольших галактик. В настоящее время одна небольшая галактика вливается в нашу, а еще 8 недалеких карликовых галактик войдут в Млечный Путь через некоторое время.

В настоящее время существуют две модели образования во Вселенной первых звезд и галактик. Согласно первой модели концентрация материи в больших структурах привела к последующему формированию в них звезд. Согласно второй модели вначале образовались звезды, а потом уже они объединились в большие структуры. Пока неизвестно, чем были первые источники света во Вселеннойзвездами с их термоядерным синтезом или излучением, вызванным падением материи на черные дыры.

Черные дыры могут способствовать формированию галактик, собирая материю вместе посредством мощной гравитации. Однако в настоящее время ученые не располагают окончательными данными о том, что появилось раньшегалактики или черные дыры.

Если в центре галактики находится черная дыра, то она постоянно увеличивает свою массу, постепенно поглощая галактическое вещество и излучение. Но чтобы «проглотить» всю галактику ей потребуются, вероятно, миллиарды лет.

Наблюдения за реликтовым излучением и развитие физики частиц высоких энергий дают представления о молодой Вселенной, возраст которой не превышает 1 млн. лет. Однако для периода от 1 млн. лет до нескольких миллиардов лет, когда начали формироваться первые звезды и галактики, наблюдения практически отсутствуют. Излучение объектов, имеющих такой возраст, сильно сдвинуто в инфракрасную область из-за нахождения их на границе видимой Вселенной. Поэтому и наблюдения за ними надо проводить в указанном частотном диапазоне.

5. Галактика Млечный Путь.

Диаметр нашей Галактики составляет приблизительно 100 тыс. световых лет (световой год — это расстояние, которое проходит свет в вакууме за один земной год), а масса находится в пределах от 750 млрд. до одного триллиона солнечных масс. Ее скорость в космическом пространстве огромна — 1,5 млн. км/ч. По оценкам ученых Млечный Путь состоит из 200−400 млрд. звезд, которые вращаются вокруг общего центра масс, называемого Галактическим Центром. Млечный Путь является спиральной галактикой и имеет форму плоского диска с шарообразным утолщением в центре. Толщина диска — 10 тыс. световых лет. Возраст нашей Галактики, по оценкам ученых, составляет около 10−12 млрд. лет.

Солнечная система находится на окраине галактики на расстоянии 28 тыс. световых лет от ее центра и вращается вокруг него по орбите, близкой к круговой, со скоростью около 240 км/с.

Центральная область Млечного Пути, как и многих других галактик, является более плотной, чем внешняя часть и содержит массивный объект, названный Стрельцом А, внутри которого, вероятно, находится черная дыра, постепенно поглощающая вещество галактики.

В ясную ночь на небе Млечный Путь наблюдается в виде светящейся туманной полосы, расположенной поперек неба. Г. Галилей (1564−1642) первым обнаружил, что Млечный Путь состоит из огромного числа звезд. У. Гершель (1738−1822) составил каталог многих его звезд с указанием расстояний до них. К началу XX века сформировалось представление о том, что Млечный Путь — часть единственной во Вселенной галактики, в которую входят миллиарды звезд. В 1924 г. Э. Хаббл экспериментально доказал, что Млечный Путь является одной из многих галактик в нашей Вселенной.

Через несколько миллиардов лет наша Галактика и Туманность Андромеды, которая примерно в 2 раза больше Млечного Пути, сольются, а единую галактику. Силы гравитации изменят их форму и процессы, происходящие в них.