Что такое галактика?

Галактические вычисления

Эдвин Хаббл является основоположником галактических исследований. Он первый, кому удалось определить, как можно вычислить точное расстояние до галактики. В своих исследованиях он опирался на метод пульсирующих звезд, которые более известны как цефеиды. Ученый смог заметить связь между периодом, который нужен для завершения одной пульсации яркости, и той энергией, которую выделяет звезда. Результаты его исследований стали серьезным прорывом в области галактических исследований. Помимо этого, он обнаружил, что есть корреляция между красным спектром, излучаемым галактикой, и расстоянием до нее (постоянная Хаббла).

В наше время астрономы могут измерять расстояние и скорости галактики посредством измерения количества красного смещения в спектре. Известно, что все галактики Вселенной движутся друг от друга. Чем дальше галактика находится от Земли, тем больше ее скорость движения. 

Чтобы визуализировать данную теорию, достаточно представить себя за рулем авто, который двигается на скорости 50 км в час. Перед Вами едет авто быстрее на 50 км в час, что говорит о том, что скорость его передвижения составляет 100 км в час. Перед ним есть еще одно авто, которое движется быстрее еще на 50 км в час. Несмотря на то что скорость всех 3 машин будет разной на 50 км в час, первый автомобиль на самом деле движется от Вас на 100 км в час быстрее. Поскольку красный спектр говорит о скорости движения галактики от нас, получается следующее: чем больше красное смещение, тем, соответственно, галактика быстрее движется и тем большее ее расстояние от нас. 

Сейчас мы располагаем новыми инструментами, помогающими ученым в поисках новых галактик. Благодаря космическому телескопу Хаббла ученым удалось увидеть то, о чем раньше оставалось только мечтать. Высокая мощность этого телескопа обеспечивает хорошую видимость даже мелких деталей в ближних галактиках и позволяет изучать более дальние, которые никому еще не были известны. В настоящее время новые инструменты наблюдения космоса находятся в стадии разработки, а в скором будущем они помогут получить более глубокое понимание структуры Вселенной. 

Типы галактик и их характеристики

Многообразие звездных систем побудило ученых задуматься об объединении их по внешнему виду, а также закономерностям проходящих внутри процессов. В 1925 г. Эдвин Хаббл предложил классификацию скоплений по их морфологии и дал им определение. Этот список без изменений используется и сегодня. Созданы и более детальные систематизации.

Эллиптические галактики (e)

Имеют форму эллипса. Включают в себя красные и холодные космические тела-гиганты. По данным астрономов, доля эллиптических звездных систем составляет 20% от всего объема. Существуют карликовые и гигантские скопления.

Ближайшая к Земле галактика эллиптического типа, открытая в 1938 г. американским астрономом Харлоу Шеплом, находится в созвездии Скульптор. Она относится к карликовым сфероидальным системам и имеет отличительную особенность — высокое содержание металлических объектов (около 4% от общей массы). Такой показатель наблюдается в образованиях, расположенных на краю видимой Вселенной.

Галактика эллиптической формы. Credit: referatwork.ru.

Спиральные галактики (s)

Представляют собой своеобразный звездный блин, который вращается вокруг своей оси и содержит до 500 млрд объектов. В центральной зоне наблюдается овальное вздутие — бандаж. Спиральные образования имеют два диска и благодаря множеству закрученных спиралевидных ветвей считаются наиболее красивым и завораживающим зрелищем в космосе.

В 1912 г. ученые выяснили, что Туманность Андромеды движется по направлению к Солнцу с впечатляющей скоростью — 300 км/ч. По прогнозам исследователей, через 3 млрд лет Туманность Андромеды столкнется с Млечным путем. Это означает, что в результате взаимодействия Солнечная система будет выброшена в космическое пространство, но разрушения планет не произойдет.

Спиральная галактика NGC 3521. Credit: kentbiggs.com.

Неправильные галактики (Irr)

Не вписываются в структуру, созданную Хабблом, так как не могут быть описаны как образования эллиптической или спиральной формы. У них нет ядра, а движение звезд хаотично. Предположительно, раньше неправильные системы имели четкие границы, но под воздействием разных гравитационных сил деформировались.

Выделяют три подтипа галактик:

1. Irr I — системы, чья структура угадывается, но недостаточно, чтобы их можно было отнести к одному из типов, выделенных Хабблом.

1. Irr II — системы, пережившие столкновение в прошлом или переживающие гравитационное взаимодействие сейчас.
2. Карликовые неправильные — галактики, которые характеризуются минимальной светимостью.

Примерами последних систем являются Большое и Малое Магеллановы облака (БМО и ММО), которые находятся в той области неба, которая относится к Южному полушарию (в России не наблюдаются). В диаметре они меньше Млечного пути в 30 раз и легче в 300 раз, удалены от галактики, в которой находится Земля, на 163 тыс. световых лет.

Карликовые неправильные БМО и ММО. Credit: cyberway.golos.io.

Современные исследования стали возможны после запуска телескопа «Хаббл». В 2006 г. стало известно, что период вращения БМО составляет 250 млн лет.

У неправильных галактик нет ядра. Credit: w-dog.ru.

С полярными кольцами

Галактики такой формы встречаются редко. Они имеют необычную форму (внешнее кольцо вращается непосредственно над полюсами) и внешне напоминают большой овал с перпендикулярно расположенным внутри малым овалом.

Поэтому существует предположение, что галактики образовались при слиянии двух систем. Изучение таких систем затруднено небольшим числом исследуемых объектов и их большой удаленностью.

Расстояние от Солнечной системы — 12 млн лет. Образование было открыто в 1826 г. английским ученым Джеймсом Данлопом, а в 1847 г. Джон Гершель составил подробное описание Центавры А. С помощью космического телескопа «Хаббл» и орбитальной установки «Обсерватория Эйнштейна» были обнаружены крупные квазары и нейтронные звезды.

Центавр А — галактика с полярными кольцами. Credit: pbs.twimg.com.

Пекулярные галактики

Характеризуются искаженной структурой, причина которой — столкновение с другой галактикой или воздействие материи после выбросов космического вещества. Из-за индивидуальных особенностей их нельзя отнести к классификации Хаббла.

Искаженная структура у пекулярных галактик. Credit: naked-science.ru.

Интересные факты о Вселенной

1. Она была горячее. Если верить теории Большого взрыва, то в начале, она была слишком разгоряченной. Ее температура начала понижаться при расширении. Ученые полагают, что на начальных этапах формирования, температура в космическом пространстве превышала миллиард Кельвинов.
2. Грозит глобальный холод. С каждым расширением, космическое пространство охлаждается. Оно теряет полезную энергию (тепло), из-за чего расширение может прекратиться.
3. Известен приблизительный диаметр Вселенной. Окружность космического пространства равно 150 млрд световых лет при возрасте 14 млрд лет. Эти данные объясняются скоростью ее расширения.
4. У нее нет центра. Трудно определить центральный участок необъятного космоса, зная, что у него нет границ.
5. Неизбежно столкновение “звездных домов”. Галактики отдаляются, перемещаются. Вероятно, что в один момент они могут столкнуться и произойдет мощный взрыв, после которого разрушатся даже атомы.
6. Она имеет плоскую форму. Долгое время, ученые не могли определить форму космического пространства. В какой-то момент, они полагали, что она имеет изогнутую форму. По последним данным, стало ясно, что она плоская, прямая и без изгибов.
7. Самый яркий объект в космическом пространстве — Черная дыра. Ее сильная гравитация не пропускает свет. При вращении, она поглощает небесные тела, облака газа, которые преобразуются в спиралевидную форму. Это делает черную дыру светящейся и яркой.

Строение нашей Галактики

В диаметре Галактика – около 100 000 световых лет (единица длины, равная расстоянию, проходимому светом за один год, световой год равен 9 460 730 472 580 800 метрам).Галактика содержит от 200 до 400 миллиардов звезд. Ученые считают, что бо́льшая часть массы Галактики содержится не в звёздах и межзвёздном газе, а в несветящемся гало из тёмной материи. Гало – это невидимый компонент галактики, имеющий сферическую форму и простирающийся за её видимую часть. В основном состоит из разрежённого горячего газа, звёзд и тёмной материи, она составляет основную массу Галактики. Темная материя – это форма материи, которая не испускает электромагнитного излучения и не взаимодействует с ним. Это свойство данной формы вещества делает невозможным её прямое наблюдение.В средней части Галактики находится утолщение, которое называется балджем. Если бы мы смогли взглянуть на нашу Галактику сбоку, то увидели бы в ее центре это утолщение, похожее на два желтка на сковороде, если их сложить нижними основаниями – посмотрите на картинку.

В центральной части Галактики сильная концентрация звезд. Считается, что длина галактической перемычки составляет около 27 000 световых лет. Эта перемычка проходит через центр Галактики под углом ~ 44º к линии между нашим Солнцем и центром Галактики. Она состоит преимущественно из красных звезд, которые считаются очень старыми. Перемычка окружена кольцом. Это кольцо содержит большую часть молекулярного водорода Галактики и является активным регионом звездообразования в нашей Галактике. Если вести наблюдение из галактики Андромеды, то галактическая перемычка Млечного Пути была бы яркой его частью.У всех спиральных галактик, в том числе и у нашей, есть спиральные рукава в плоскости диска: два рукава, начинающиеся у бара во внутренней части Галактики, а во внутренней части есть ещё пара рукавов. Затем эти рукава переходят в четырёхрукавную структуру, наблюдающуюся в линии нейтрального водорода во внешних частях Галактики.

Рентгеновский «Спектр-РГ», который создает новую карту Вселенной

Второй аппарат серии получил название «Спектр-Рентген-Гамма» и отправился на орбиту в 2019 году — фактически, опаздывая на 21 год относительно первоначальных планов проекта, созданного в 1987 году совместным коллективом ученых СССР, Финляндии, ГДР, Дании, Италии и Великобритании.

Аппарат представляет собой ту же платформу «Навигатор» разработки НПО Лавочкина, на которой базируется и комплекс «Спектр-Р», однако состав оборудования принципиально отличается.

Изначально предполагалось оборудовать исследовательский комплекс 3 рентгеновскими и 1 ультрафиолетовым телескопами, а так же парой мониторов неба и детектором гамма-всплесков.

В окончательном варианте остались только российский ART-XC и немецкий eROSITA.

Они работают в разных, но дополняющих друг друга диапазонах, выполняя картографирование всего неба в рентгеновском диапазоне с новым уровнем точности и разрешающей способности.

«Спектр-РГ» позволит регистрировать до 90 тысяч новых рентгеновских объектов ежегодно, ранее недоступных для человеческой науки.

Обсерватория, выведенная в июле 2019 (против запланированного 2011) стала первым российским аппаратом, работающим в  на высоте полутора миллионов километров за Землей на линии Солнце — Земля.

Таким образом, на станцию действует только гравитация системы «Земля-Солнце», поэтому относительно Земли станция практически неподвижна.

В результате, с помощью нового «Спектра» будет построена подробная рентгеновская карта Млечного Пути и ближайших галактик.

Работа займет 6,5 лет и позволит обнаружить новые гравитационные линзы, открыть новые ядра и скопления галактик, уточнить модель темной энергии и, возможно, процесс эволюции темной материи — таинственных космологических сущностей.

Астрофизические параметры и типы галактик

Первые исследования космоса, проведенные в начале XX века, дали обильную почву для размышлений. Обнаруженные в объектив телескопа космические туманности, которых со временем насчитали более тысячи, представляли собой интереснейшие объекты во Вселенной. Длительное время эти светлые пятна на ночном небе считались скоплениями газа, входящими в структуру нашей галактики. Эдвин Хаббл в 1924 году сумел измерить расстояние до скопления звезд, туманностей и сделал сенсационное открытие: эти туманности — ни что иное, как далекие спиралевидные галактики, самостоятельно странствующие в масштабах Вселенной.

Американский астроном впервые предположил, что наша Вселенная – это множество галактик. Исследования космоса в последней четверти XX века, наблюдения, сделанные с помощью космических аппаратов и техники, включая знаменитый телескоп Хаббл, подтвердили эти предположения. Космос безграничен и наш Млечный путь — далеко не самая крупная галактика во Вселенной и к тому же не является ее центром.

Усилиями Эдвина Хаббла мир получил систематизированную классификацию галактик, делящую их на три типа:

• спиральные;
• эллиптические;
• неправильные.

Эллиптические галактики и спиральные являются самыми распространенными типами. К ним относятся наша галактика Млечный Путь, а также соседняя с нами галактика Андромеда и многие другие галактики во Вселенной.

По классификации такие галактики обозначаются латинской буквой E. Все на сегодняшний день известные эллиптические галактики разделены на подгруппы E0-E7. Распределение по подгруппам осуществляется в зависимости от конфигурации: от галактик почти круглой формы (E0, E1 и E2)до сильно растянутых объектов с индексами E6 и E7. Среди эллиптических галактик встречаются карлики и настоящие гиганты, имеющие диаметры в миллионы световых лет.

К спиральным галактикам относятся два подтипа:

• галактики, представленные в виде пересеченной спирали;
• нормальные спирали.

Первый подтип выделяется следующими особенностями. По форме такие галактики напоминают правильную спираль, однако в центре такой спиральной галактики находится перемычка (бар), дающая начало рукавам. Такие перемычки в галактике обычно являются следствием физических центробежных процессов, делящих ядро галактики на две части. Существуют галактики с двумя ядрами, тандем которых и составляет центральный диск. Когда ядра встречаются, перемычка исчезает и галактика становится нормальной, с одним центром. Существует перемычка и в нашей галактике Млечный путь, в одном из рукавов которой находится наша Солнечная система. От Солнца к центру галактики путь по современным оценкам составляет 27 тыс. световых лет. Толщина рукава Ориона Лебедя, в котором пребывает наше Солнце и вместе с ним наша планета, составляет 700 тыс. световых лет.

В соответствии с классификацией спиральные галактики обозначаются латинскими буквами Sb. В зависимости от подгруппы, существуют и другие обозначения спиральных галактик: Dba, Sba и Sbc. Разница между подгруппами определяется длиной бара, его формой и конфигурацией рукавов.

Самый редкий тип — неправильные галактики. Эти вселенские объекты представляют собой крупные скопления звезд и туманностей, не имеющие четкой формы и структуры. В соответствии с классификацией они получили индексы Im и IO. Как правило, у структур первого типа диска нет или он слабо выражен. Нередко у таких галактик можно рассмотреть подобие рукавов. Галактики с индексами IO представляют собой хаотическое скопление звезд, облаков газа и темной материи. Яркими представителям такой группы галактик являются Большое и Малое Магелланово Облако.

Исходя из имеющейся классификации и по результатам исследований, можно с некоторой долей уверенности ответить на вопрос, сколько галактик во Вселенной и какого они типа. Больше всего во Вселенной спиральных галактик. Их более 55 % от общего количества всех вселенских объектов. Эллиптических галактик в два раза меньше — всего 22% от общего числа. Неправильных галактик, аналогичных Большому и Малому Магеллановым Облакам, во Вселенной только 5%. Одни галактики соседствуют с нами и находятся в поле зрения мощнейших телескопов. Другие находятся в самом дальнем пространстве, где преобладает темная материя и в объективе видна больше чернота бескрайнего космоса.

История программы «Спектр»

Первая идея о сверхтяжелом орбитальном радиотелескопе появилась ещё при создании стометровой ракеты Н-1.

Удалось это только в 1979 году, когда на орбитальной станции «Салют-6» запустили первый в мире космический радиотелескоп.

Задолго до «Хаббла»: необходимость исследований дальнего космоса в различных диапазонах для фундаментальной науки, актуальной космогонии и прикладной космонавтики не вызывала сомнений.

В 1983 году на орбиту вышла советская автоматическая станция для астрофизических наблюдений с 80-сантиметровым ультрафиолетовым телескопом и комплексом рентгеновских спектрометров.

За 6 лет работы аппарат позволил получить важные данные в области нестационарных явлений, разобраться с появлением туманностей, зафиксировать детально вспышку сверхновой и исследовать шлейф кометы Галлея.

В 1989 году Советский союз успел вывести в космос при участии Франции, Дании и Болгарии международный проект «Гранат» с приборами, наблюдающими в оптическом, рентгеновском и гамма-диапазонах.

С его помощью было получено высокодетализованное изображение области центра галактики, открыто более десятка неизвестных ранее аккрецирующих чёрных дыр и нейтронных звезд, составлены подробные каталоги гамма-всплесков.

Космические телескопы стояли и на модуле «Квант-1» станции «Мир».

Первоначальный проект «Спектр» сочетал орбитальный телескоп с тридцатиметровой антенной и распределенный комплекс наземных лабораторий.

Комплексная конструкция позволяла увеличить дальность и «четкость» исследований. Кроме того, ученые предложили строить телескопы для разных частот.

Сначала был разработан радиотелескоп, в 1987 появилось дополнение с рабочим спектром в рентгеновском диапазоне. Уже в начале девяностных прибавился ультрафиолетовый.

Вывод первого телескопа проекта предполагался в 1997 году. Отсутствие финансирования отложило запуск, одновременно с тем позволив доработать составляющие и заручиться международной поддержкой.

В результате первый аппарат комплекса, радиотелескоп «Спектр-Р» с десятиметровой антенной, отправился на орбиту только в 2011 году. В 2021 его вывели из эксплуатации.

Вероятно, после вывода «Хаббла» 30 июня 2021 «Спектр» окажется единственным внеземным исследователем далекого космоса, и будет таковым по меньшей мере до 2035 года.

Линзовидные галактики

Рождение галактик

Галактики появились на свет вскоре после звезд. Считается, что первые светила вспыхнули никак не позднее, чем спустя 150 млн лет после Большого взрыва. В январе 2011 года команда астрономов, обрабатывавших информацию с космического телескопа «Хаббл», сообщила о вероятном наблюдении галактики, чей свет ушел в космос через 480 млн лет после Большого взрыва. В апреле еще одна исследовательская группа обнаружила галактику, которая, по всей вероятности, уже вполне сформировалась, когда юной Вселенной было около 200 млн лет.

Условия для рождения звезд и галактик возникли задолго до его начала. Когда Вселенная прошла возрастную отметку в 400 000 лет, плазма в космическом пространстве заменилась смесью из нейтрального гелия и водорода. Этот газ был еще чересчур горяч, чтобы стянуться в молекулярные облака, дающие начало звездам. Однако он соседствовал с частицами темной материи, изначально распределенными в пространстве не вполне равномерно — где чуть плотнее, где разреженнее. Они не взаимодействовали с барионным газом и потому под действием взаимного притяжения свободно стягивались в зоны повышенной плотности. Согласно модельным вычислениям, уже через сотню миллионов лет после Большого взрыва в космосе образовались облака темной материи величиной с нынешнюю Солнечную систему. Они объединялись в более крупные структуры, невзирая на расширение пространства. Так возникли скопления облаков темной материи, а потом и скопления этих скоплений. Они втягивали в себя космический газ, предоставляя ему возможность сгущаться и коллапсировать. Таким путем появились первые сверхмассивные звезды, которые быстро взрывались сверхновыми и оставляли после себя черные дыры. Эти взрывы обогащали космическое пространство элементами тяжелее гелия, которые способствовали охлаждению коллапсирующих газовых облаков и потому делали возможным появление менее массивных звезд второго поколения. Такие звезды уже могли существовать миллиарды лет и потому были в состоянии формировать (опять-таки с помощью темной материи) гравитационно связанные системы. Так возникли долгоживущие галактики, в том числе и наша.

«Многие детали галактогенеза еще скрыты в тумане, — говорит Джон Корменди. — В частности, это относится к роли черных дыр. Их массы варьируют от десятков тысяч масс Солнца до абсолютного на сегодняшний день рекорда в 6,6 млрд солнечных масс, принадлежащего черной дыре из ядра эллиптической галактики М87, расположенной в 53,5 млн световых лет от Солнца. Дыры в центрах эллиптических галактик, как правило, окружены балджами, составленными из старых звезд. Спиральные галактики могут вовсе не иметь балджей или же обладать их плоскими подобиями, псевдобалджами. Масса черной дыры обычно на три порядка меньше массы балджа — естественно, если оный наличествует. Эта закономерность подтверждается наблюдениями, охватывающими дыры массой от миллиона до миллиарда солнечных масс».

Как полагает профессор Корменди, галактические черные дыры набирают массу двумя путями. Дыра, окруженная полноценным балджем, растет за счет поглощения газа, который приходит к балджу из внешней зоны галактики. Во время слияния галактик интенсивность поступления этого газа резко возрастает, что инициирует вспышки квазаров. В результате балджи и дыры эволюционируют параллельно, что и объясняет корреляцию между их массами (правда, могут работать и другие, еще неизвестные механизмы).

Исследователи из Питтсбургского университета, Калифорнийского университета в Ирвине и Атлантического университета Флориды смоделировали ситуацию столкновения Млечного пути и предшественницы карликовой эллиптической галактики в Стрельце (Sagittarius Dwarf Elliptical Galaxy, SagDEG). Они проанализировали два варианта столкновений – с легкой (3х10^10 масс Солнца) и тяжелой (10^11 масс Солнца) SagDEG. На рисунке показаны результаты 2,7 млрд лет эволюции Млечного пути без взаимодействия с карликовой галактикой и с взаимодействием с легким и тяжелым вариантом SagDEG.

Иное дело безбалджевые галактики и галактики с псевдобалджами. Массы их дыр обычно не превышают 104−106 солнечных масс. По мнению профессора Корменди, они подкармливаются газом за счет случайных процессов, которые происходят недалеко от дыры, а не простираются на целую галактику. Такая дыра растет вне зависимости от эволюции галактики или ее псевдобалджа, чем и обусловлено отсутствие корреляции между их массами.

«Спектр-УФ» с ультрафиолетовым спектром работы для поиска жизни

Третий аппарат серии, обсерватория «Спектр-УФ», предназначен для точечного слежения с помощью УФ-телескопа Т-170М за конкретными объектами в ультрафиолетовом диапазоне и задуман ещё в 1990 году.

За это время несколько раз поменялся и сам проект, и его участники: сегодня предполагается существенный вклад не только России, но и Великобритании, Испании, Мексики и Японии.

Его основа, уникальное 170-сантиметровое зеркало, уже готово и ждет своего часа. Бортовое оборудование (в числе которого необходимые для функционирования спектрографы) стран-партнеров будет поставлено к 2022 году.

Основная задача аппарата – подробные исследования ключевых объектов космоса: ядер галактик, экзопланет.

Ультрафиолетовый обзор позволит оценивать спектр объектов и получать данные о изотопном составе, что позволит уточнить модели космоса, узнать состав атмосфер планет и, возможно, найти следы жизни.

Дополнительная задача аппарата – поиск скрытого диффузного барионного вещества, межгалактических облаков из горячих пыли и газа, которые практически невидимы для существующих телескопов.

Первоначальный запуск орбитальной составляющей комплекса в связи с последовательными сокращениями бюджета с 1997 года плавно перетек на 2021, а следом, из-за санкций 2014 года – на 2025-2026 год.

На данный момент ожидается, что телескоп будет запущен в конце 2025 года на тяжелой «Ангаре» с космодрома Восточный и отправится на геостационарную орбиту.

Перспективы комплекса «Спектр»

Несмотря на возрастающие по мере развития проекта возможности телескопов проекта «Спектр» и большое число стран-участников, разрабатывающих научное оборудование для него, перспективы довольно туманны.

Сокращение программы проводилось неоднократно и в хорошие годы: так, вместо первичного проекта «Спектр-РГ» был запущен «облегченный» вариант, несущий только 2 из 7 запланированных приборов.

Кроме того, он должен был запускаться до радиотелескопа «Спектр-Р», однако вышел на орбиту уже после того, как «предшественник» (по времени создания проекта) вывели из эксплуатации.

Следующие аппараты серии так же создаются при участии ряда западных стран, научная и финансовая коммуникация с которыми на данный момент осложняется.

Ввиду этого «Спектр-УФ» попадет в космос со значительным отставанием по срокам. Или сделает это без импортного оборудования, что снизит планируемые возможности.

Будем следить и рассказывать. Вероятно, уже в этом году программа «Спектр» сможет похвастаться очередной порцией уникальных результатов.

iPhones.ru

Самый крутой и скоро единственный во всем мире.