Млечный Путь – наш звездный дом

 1. Млечный Путь – наш звездный дом.

В ясную безлунную  ночь звездное небо представляет собой  очень красиво зрелище. Широкая  светлая полоса тянется через  все небо. Древние греки называли эту полосу galaxias, что значит, молочный круг. Мы называем ее – Млечный путь. Уже первые наблюдения в телескоп, проведенные Галилеем, показали, что Млечный Путь – это скопление очень далеких и слабых звезд, общим числом около 100 миллиардов. Это множество звезд и газопылевых туманностей, в которые эти звезды погружены, образует гигантскую  систему – Галактику. Звезды, которые мы видим на небе невооруженным глазом, - просто наиболее близкие к нам объекты этой системы.

Солнечная система, естественно, тоже входит в состав Галактики. Однако расположение Солнца в нашей  Галактике довольно неудачное с  точки зрения изучения этой системы  как целого: мы находимся в таком  месте, что с Земли сложно выявить  структуру Галактики. К тому же, в  области, где расположено Солнце, довольно много межзвездного вещества, поглощающего свет и делающего почти  непрозрачными для видимого света  некоторые направления, особенно в  сторону центра Галактики. Согласитесь, что трудно судить о виде здания, если ты находишься внутри его, и никогда  не был снаружи. Так и с нашей  Галактикой: очень  долгими были споры об ее размерах, массе, структуре, размещении звезд. Только относительно недавно, в двадцатом веке, всевозможные исследования позволили человеку судить о том, как мы выглядим со стороны. Во многом помогло нам то обстоятельство, что наша Галактика не одинока во Вселенной. 

При изучении неба с  телескопом кроме звезд себя обнаруживали еще неясные туманные пятна. Их так  и назвали - "туманности". Однако некоторые туманности разительно отличались от остальных. При измерении  скорости их движения с помощью эффекта  Доплера, оказывалось что они двигались со скоростями на порядок большими, чем остальные туманности. Однажды, исследуя одну из них - Туманность Андромеды, Эдвин Хаббл сумел увидеть в ней отдельные звезды и доказать, что она является гигантским их скоплением, не уступающим по масштабу Млечному Пути. Оказалось, что существуют звездные системы, подобные Галактике! Теперь известно, что они удалены от нас на миллионы и миллиарды световых лет, их число измеряется многими миллиардами, а разнообразие форм поражает человеческий разум. Такие туманности, не мудрствуя лукаво, назвали галактиками, но уже с маленькой буквы. Исследования других галактик играют громадную роль в понимании природы нашей Галактики. В начале ХХ века стало очевидным, что почти все видимое вещество во Вселенной сосредоточено в гигантских звездно-газовых островах с характерным размером от нескольких килопарсек до нескольких десятков килопарсек.

Итак, Галактика представляет собой сложную звездную систему, состоящую из множества разнообразных  объектов, которые связаны между  собой  гравитационным взаимодействием. Масса Галактики оценивается  в 200 миллиардов масс Солнца. 100 миллиардов звезд населяет Галактику, Правда, только два миллиарда из них доступно нашим сегодняшним наблюдениям.

2. Строение Галактики  – форма, размеры, динамика.

Галактика состоит  из двух основных подсистем диска  и гало, вложенных одна в другую и гравитационно-связанных друг с другом. Первая - сферическое гало, ее звезды концентрируются к центру галактики, а плотность вещества, высокая в центре галактики, довольно быстро падает с удалением от него. Центральная, наиболее плотная часть  гало в пределах нескольких тысяч  световых лет от центра Галактики  называется балдж.  Вторая подсистема – это массивный звездный диск. Его масса равна 150 млрд масс Солнца. Он представляет собой как бы две сложенные краями тарелки. В диске концентрация звезд значительно больше, чем в гало.

 Центральная,  наиболее компактная область  Галактики называется ядром. Если  бы мы жили на планете около  звезды, находящейся вблизи ядра  Галактики, то на небе были  бы видны десятки звезд, по  яркости сопоставимых с Луной.  Однако Солнце расположено достаточно  далеко от ядра Галактики –  на расстоянии 8 кпк (около 26 000 световых лет). Поэтому, если в окрестностях Солнца, в диске, одна звезда приходится на 8 кубических парсеков, то в центре Галактики в одном кубическом парсеке находится 10 000 звезд.  Центр Галактики находится в направлении созвездия Стрельца. В 2004 году окончательно доказано, что в центре Галактики находится черная дыра с массой около трех миллионов масс Солнца.

В кольцевой области  галактического диска от 3 до 7 кпк сосредоточено почти все молекулярное вещество межзвездной среды (облака пыли и газа); там находится наибольшее количество пульсаров и источников инфракрасного излучения. Видимое излучение центральных областей Галактики полностью скрыто от нас мощными слоями поглощающей материи, так как Солнце находится в плоскости галактического диска. Размеры Галактики:   диаметр диска - 30 кпк (100 000 световых лет), толщина диска – 1000 световых лет.

Изучение собственных  движений звезд в Галактике показывает, что галактический диск вращается. Вращение Галактики происходит по часовой  стрелке, если смотреть на Галактику  со стороны ее северного полюса, находящегося в созвездии Волосы Вероники. Исследования показали, что  Галактика имеет хорошо выраженную спиральную структуру. Спирали представляют собой волны плотности, распространяющиеся в сторону вращения диска Галактики, с  постоянной угловой скоростью. А звезды внутри диска движутся по круговым траекториям вокруг центра Галактики с постоянной линейной скоростью. И, следовательно, угловая  скорость вращения зависит от расстояния до центра и убывает по мере удаления от центра, то есть Галактика не вращается  как твердое тело. Поэтому волны  плотности, ближе к центру Галактики  отстают от галактических объектов, а ближе к окраинам опережают  их. Поэтому почти все звезды диска  то попадают внутрь спиральных ветвей, то выходят из них. Проходя через  гигантские облака молекулярного водорода, волны плотности сжимают газ, и в облаке начинается процесс  звездообразования. Таким образом, галактический спиральный рукав  отмечен повышенной плотностью облаков  нейтрального и молекулярного газа с той стороны, с которой он набегает на эти облака, и большим  числом молодых звезд, с противоположной  стороны.

Вращение звезд  Галактики не подчиняется и закону Ньютона. Этот необъяснимый факт привел к новым удивительным открытиям, связанным с понятием темной материи. 

Наше Солнце расположено  между спиральными рукавами Стрельца и Персея, движется со скоростью  около 220 км/с, и делает полный оборот вокруг центра Галактики за 200 миллионов лет. За время своего существования Солнце облетело Галактику примерно 30 раз. Скорость вращения Солнца вокруг центра Галактики практически совпадает с той скоростью, с которой в данном районе движутся спиральные рукава. Такая ситуация неординарна для Галактики. Единственное место, где скорости звезд и спиральных рукавов совпадают, - это коротационная окружность и, именно вблизи нее расположено Солнце. Может быть, это обстоятельство дало возможность возникнуть и сохраниться жизни на Земле. Ведь в спиральных рукавах происходят бурные процессы, мощное излучение от которых погубило бы все живое на Земле.  Так что наше периферийное положение по отношению в галактической «столице» можно считать даже привилегированным.

Звезды галактического диска были названы населением I типа, звезды гало – населением II типа. К диску относятся, как правило, звезды ранних спектральных классов О и В, т.е. молодые звезды. Гало, наоборот, составляют объекты, возникшие на ранних стадиях эволюции Галактики. Возраст населения второго типа порядка 10 -  12 миллиардов лет. Население первого типа отличается от населения второго типа большим содержанием тяжелых элементов.

3. Объекты Галактики.

Звездные скопления. В Галактике каждая третья звезда – двойная. Но известны и более  сложные объекты – звездные скопления. Они подразделяются на рассеянные и  шаровые скопления, и звездные ассоциации. Рассеянные звездные скопления встречаются  вблизи галактической плоскости, где  сконцентрированы скопления пыли и  межзвездного газа. Сейчас известно более 1200 рассеянных скоплений, из них детально изучено 500. Самые известные среди  них – Плеяды и Гиады в созвездии  Тельца. Общее количество рассеянных скоплений в Галактике, возможно, достигает ста тысяч.

Рассеянные скопления  содержат от сотен до нескольких тысяч  звезд. Их масса невелика (100–1000 М¤), и гравитационное поле не может долго  сдерживать их в малом объеме пространства, поэтому за миллиарды лет рассеянные скопления распадаются. Среди рассеянных звездных скоплений гораздо больше молодых звезд, чем старых. Все  звезды, входящие в состав скопления, имеют общее движение. В двадцатых  годах ХХ века Харлоу Шепли исследовал рассеянные скопления и произвел классификацию их звезд. Диаграмма  Герцшпрунга – Рассела для семи рассеянных скоплений показала, что практически все их звезды лежат на главной последовательности. Размеры рассеянных скоплений от 2 до 20 парсек.

Шаровые звездные скопления  сильно выделяются на звездном фоне благодаря  значительному числу звезд и  четкой сферической форме. Диаметр  шаровых скоплений составляет от 20 до 100 пк, а масса – 104–106 М¤. Вся сфера шарового скопления густо заполнена звездами, их концентрация растет к центру.  Некогда шаровые скопления преобладали в галактике Млечный Путь. Когда-то давным-давно, когда наша Галактика только образовалась, по ней скитались тысячи шаровых скоплений. Сегодня осталось порядка 200. Многие шаровые скопления были разрушены в результате роковых столкновений друг с другом или с галактическим центром. Звезды  в них движутся по своим орбитам вокруг центра скопления. Скопление, в свою очередь, движется по орбите вокруг центра Галактики. К настоящему моменту открыто около 160 шаровых скоплений, находящихся в сферическом гало нашей Галактики.

Шаровые скопления  – старейшие образования в  нашей Галактике, их возраст от 10 до 12 миллиардов лет  сравним с  возрастом самой Вселенной. Бедный химический состав и вытянутые орбиты, по которым они движутся в Галактике, говорят о том, что шаровые  скопления образовались в эпоху  формирования самой Галактики. Возраст  звезд, входящих в состав шаровых  скоплений, солиден, поэтому все  массивные звезды прошли длинный  путь эволюции и стали нейтронными  звездами или белыми карликами. В  результате, в шаровых скоплениях наблюдаются вспышки новых звезд, рентгеновские источники и пульсары. Именно в сторону шарового скопления  М13 в Геркулесе было отправлено в 1974 году  из обсерватории Аресибо первое радио-послание с Земли в поисках внеземных цивилизаций.

Третий тип скоплений - звездные ассоциации. Это группировки  молодых звезд . Их начали изучать в двадцатых годах ХХ века. Так называемые ОВ-ассоциации, имеют протяженность от 15 до 300 пк и содержат от нескольких десятков до нескольких сотен горячих голубых гигантов и сверхгигантов. Поскольку гиганты ранних спектральных классов быстро проходят путь эволюции, то все звезды образовались в одно время и имеют небольшой возраст. Т-ассоциации содержат переменные звезды типа Т Тельца, которые еще не достигли главной последовательности и находятся на самых ранних этапах звездной эволюции.

 Межзвездное вещество. Пространство между звездами  заполнено разреженным веществом,  излучением и магнитным полем.  В межзвездной среде открыты  огромные холодные области (молекулярные  облака) с температурой 5–50 К и очень горячий газ с температурой 106 К – корональный газ. По температуре и плотности межзвездные облака делят на четыре разных типа.

Тип облака Диффузное Темное Молекулярное   Глобула

Температура Т, К 

102–103 

10–102 

5–50 

10–30

Концентрация атомов на см3 

1–102 

102–104 

400–106 

103–105

Среди молекулярных облаков выделяются гигантские молекулярные облака (ГМО) с массами 105–106М¤. Температура  таких облаков от 5 до 30 К. В галактическом  диске примерно 6000 таких облаков, и в них содержится 90% всего  молекулярного газа Галактики. Это  непосредственные очаги звездообразования.

В Галактике, особенно в диске имеется также большое  количество межзвездной пыли, с температурой 15–25 К, которая образовалась в результате жизнедеятельности звезд. Средний радиус пылинок составляет доли микрометра. В настоящее время считают, что пылинки состоят из смеси железных и силикатных частиц, покрытых оболочками из органических молекул и льда. Суммарная масса пыли всего 0,03 % полной массы Галактики, однако ее полная светимость составляет 30 % от светимости звезд и полностью определяет излучение Галактики в инфракрасном диапазоне.

4. Эволюция  Галактики.

Согласно современным  представлениям, Галактика образовалась из медленно вращавшегося газового облака, по своим размерам превосходившего  ее в десятки раз. Первоначально  оно состояло из смеси 75% водорода и 25% гелия и почти не содержало  тяжелых элементов. В течение  примерно миллиарда лет это облако свободно сжималось под действием  сил гравитации. Этот коллапс неизбежно  привел к фрагментации и началу процесса звездообразования. Сначала газа было много, и он находился на больших расстояниях от плоскости вращения. Возникли звезды первого поколения,  в том числе и весьма массивные, а также шаровые скопления. Их современное пространственное распределение  соответствует первоначальному распределению газа, близкому к сферическому.

Наиболее массивные  звезды первого поколения быстро проэволюционировали и обогатили межзвездную среду тяжелыми элементами, главным образом за счет вспышек сверхновых. Та часть газа, которая не превратилась в звезды, продолжала свой процесс сжатия к центру Галактики. Из-за сохранения момента количества движения, ее вращение становилось быстрее, образовался диск, и, в нем снова начался процесс звездообразования. Это второе поколение звезд оказалось богатым тяжелыми элементами. Оставшийся газ сжался в более тонкий слой, так возникла плоская составляющая – основная арена современного звездообразования. Разумеется, выделения двух или трех поколений звезд весьма условно: скорее всего, звездообразование было единым непрерывным процессом, хотя в нем и возможны были отдельные этапы замедления.