АСТРОНОМІЯ - М. В. Головко 2018

Частина 2. Основи астрономії

Розділ ІІІ. Елементи позагалактичної астрономії

ТЕМА 3.1. НАША ГАЛАКТИКА

§ 24. БУДОВА ГАЛАКТИКИ

Великим зоряним містком, перекинутим через усе зоряне небо, видається спостерігачеві Молочний Шлях. Щоправда для жителів міст він став практично недоступним, адже його сяйво зникає в світлі яскравих вуличних вогнів. Молочний Шлях найкраще спостерігати далеко від великих поселень. В Україні особливо красивим він буває в серпні, коли проходить через зеніт від обрію до обрію.

1. З історії вивчення Галактики.

Таємниця Молочного Шляху хвилювала людей впродовж багатьох століть. Міфи та легенди народів світу зберегли різні його назви - Чумацький Шлях (в Україні), Зоряний Міст, Небесна Ріка та інші. В стародавній Греції його називали Galaxias kuklos, що означає «молочне коло». Від «галактикос» (молочний) походить слово «галактика».

Ще старогрецькі мислителі, зокрема Піфагор, Левкіпп, Демокріт, вважали, що Молочний Шлях - це величезне скупчення зір, але то були не підкріплені доказами міркування. Лише Ґалілео Ґалілей, направивши в січні 1610 р. телескоп на зоряне небо, побачив у межах цієї сріблясто-білої смуги скупчення незліченних зір. Проте чому слабкі зорі концентруються у вузьку смугу, зрозуміти на той час було неможливо.

Вивчати будову Галактики не просто, бо ми перебуваємо всередині неї. Важко скласти план міста, якщо стояти на одному місці й роздивлятись тільки навсебіч. Спостереження нашої зоряної системи ускладнені, багато її деталей приховані від нас, бо Сонячна система лежить в її площині - ми не можемо охопити поглядом, оцінити будову Галактики. Незважаючи на ці труднощі астрономи, починаючи від піонерських робіт Вільяма Гершеля в XVIII ст., знайшли методи, щоб розкрити багато таємниць будови Галактики.

Метод, який В. Гершель застосував для вивчення будови Галактики,- це визначення кількості зір у полі зору телескопа на обраних ділянках (більше тисячі) небесної сфери (метод «черпків»). На основі цих спостережень він зробив висновок про форму Молочного Шляху як про «зоряний острів» у Всесвіті. Гершель створив схематичний малюнок, з якого випливало, що

наша зоряна система має неправильну витягнуту форму й нагадує величезний диск (рис. 24.1). Оскільки диск оточує Сонячну систему кільцем, то це означає, що Сонце міститься всередині нього і розташоване десь поблизу центральної частини. Такою уявляв В. Гершель Галактику й це уявлення існувало в астрономії майже до середини минулого століття.

Рис. 24.1. Будова нашої галактики за уявленнями В. Гершеля

З висновків В. Гершеля випливало, що Сонце посідає в Галактиці центральне положення. Така структура була чимось схожа на геоцентричну систему світу, прийняту до епохи Коперника, з тією лише різницею, що раніше центром Всесвіту вважали Землю, а не Сонце.

Лише в ХХ ст. вдалося виявити загальну будову нашої галактики, яка насправді дуже не схожа на те, як її уявляв Гершель. Цьому сприяли роботи багатьох астрономів, насамперед Едвіна Габбла і Вальтера Бааде.

2. Підсистеми Галактики.

Якби ми могли подивитися на Галактику ззовні, наприклад, «згори», то побачили б, що вона нагадує плоский диск, в якому чітко видно спіральні рукави (рис. 24.2.).

Рис. 24.2. Приблизно такий вигляд має наша галактика, якщо її розглядати «згори» чи «знизу»

Хоча зовнішній вигляд Галактики вказує на її плоску зовнішню форму, це не зовсім так. її диск огортає гало - хмара розрідженої речовини. Навколо ядра з перемичкою (бар) і центрального потовщення (балдж) є велика кількість кулястих зоряних скупчень, утворених старими холодними червоними зорями (рис. 24.3). Такий явний поділ нашої зоряної системи на окремі великомасштабні елементи дав підставу астрономам говорити про її підсистеми - плоску й сферичну. Кожна з них також поділяється на окремі підсистеми (табл. 24.1).

Таблиця 24.1 Підсистеми Галактики

Назва

Характеристика

Галактичний центр

У центрі нашої галактики міститься чорна діра, маса якої в 2,6 мільйони разів перевищує масу Сонця. Вона оточена щільним шаром газу і пилу, зоряними скупченнями, залишками наднових зір і молекулярною хмарою, маса якої в 10 тисяч разів більша за сонячну. Всі ці об'єкти утворюють ядро Галактики, яке на зоряному небі лежить у сузір'ї Стрільця.

Бар

Протяжне утворення, що поєднує галактичний центр та спіральні рукави. Його виявили відносно недавно — наприкінці ХХ ст.

Балдж

Сферичне потовщення навколо ядра Галактики. Загальна маса балджа в 20 мільярдів разів перевищує масу Сонця. Тут переважають старі зорі з малим умістом металів.

Тонкий диск

Поперечник тонкого диска становить понад 30 кпк (майже 100 тис. св. р.), а товщина — від 92 до 920 пк (300 —3 000 св.р.). Ця підсистема Галактики вміщує лише п'ять відсотків галактичної маси, зате випромінює до 90 відсотків світла, бо саме тут перебувають молоді зорі. Тут також багато газопилових хмар, де ще мільярди років будуть народжуватися нові зорі. У тонкому диску є два (можливо, чотири) великі й кілька десятків маленьких спіральних рукавів. Тонкий диск трохи вигнутий; його кривизна з незрозумілої досі причини змінюється з часом.

Товстий диск

Оточує тонкий диск і має такий же діаметр. Його товщина становить від 920 до 5500 пк (3 — 18 тис. св. р.).

Кулясті скупчення зір

Підсистема Галактики до якої, за оцінками астрономів, входить близько трьохсот кулястих скупчень. Окреме скупчення вміщує від 10 тисяч до мільйона зір, що утримуються як єдине ціле силою гравітації. Обертаються навколо галактичного центра, часто перетинаючи диск галактики.

Гало

Утворення у вигляді еліпсоїда діаметром понад 184 кпк (600 тис. св. р.), що вміщує всі інші підсистеми Галактики. Обертається гало дуже повільно. Його маса становить від двох до шести трильйонів сонячних мас. До складу гало входять одинокі зорі, кулясті

скупчення й газові хмари, причому загальна маса зір не перевищує мільярда сонячних мас. Проте основним компонентом гало є темна матерія.

Корона

Зовнішня підсистема Галактики — шар водневої плазми, що утворений, імовірно, внаслідок вибухів наднових зір. Спіральна структура Галактики. В 50-х роках ХХ ст. з допомогою радіотелескопів було складено картину розподілу хмар іонізованого водню, що міститься в околицях Сонця. З'ясувалося, існують принаймні чотири ділянки, які можна було б ототожнити зі спіральними рукавами (або гілками) Молочного Шляху. Один із них, найближчий до Землі, називають рукавом Оріона - Персея. Той, що ближче до центра Галактики, назвали рукавом Лебедя, а два інші - рукавом Стрільця й рукавом Кентавра. Щоправда детальної картини спіральної структури Молочного Шляху досі немає: його гілки зливаються одна з одною, і визначити відстань до них дуже важко.

Рис. 24.3. Схематичний вигляд нашої галактики збоку: 1 - гало; 2 - кулясте скупчення; 3 - балдж; 4 - товстий диск; 5 - тонкий диск; 6 - галактичний екватор; 7 - галактичний центр з баром

Наявність спіральних гілок в Галактиці пояснюють гігантськими хвилями стиснення й розрідження міжзоряного газу, які пробігають галактичним диском. Раніше астрономи вважали - Галактика звичайна спіральна зоряна система (ч. 2, § 26), але виявилося, що вона має бар. Перші докази існування такої структури з'явилися в 70-х роках ХХ ст.- на неї вказували орбіти зір і хмар газу в центрі Галактики, що не відповідали уявленням про лише спіральну структуру. Виявити бар вдалося в оглядах неба, виконаних у ближньому інфрачервоному діапазоні. Нині в астрономії превалює думка, що бари і спіралі - це не одвічні елементи галактик. Імовірно, ці структури виникають і зникають під дією гравітації у процесі еволюнії зоояної системи.

Рис. 24.4. Спіральна структура галактики Молочний Шлях, визначена на підставі радіоспостережень

Массу нашої галактики оцінюють у 150 млрд сонячних, а кількість зір - до 400 млрд. Але враховуючи відкриття холодних маломасивних коричневих карликів, які важко спостерігати, напевне їх кількість значно більша.

Оскільки зорі істотно відмінні між собою фізичними параметрами, то В. Бааде розділив зоряне населення Галактики на дві групи - два типи населення. До населення I типу віднесено зорі, що заповнюють спіральні гілки Галактики, зорі розсіяних скупчень, довгоперіодичні цефеїди. Важливими представниками населення I типу є гарячі зорі - білі гіганти, зорі ранніх спектральних класів. Населення II типу - це зорі кулястих скупчень, зорі ядра Галактики. Серед цього типу населення виділяються яскраві червоні надгіганти.

Аналіз хімічного складу зоряних атмосфер привів до висновку, що в зір населення I типу (належать до плоскої складової Галактики) металів приблизно у сто разів більше, ніж у зорях II типу (сферична складова). Це свідчить: розподіл зір на підсистеми має глибокий еволюційний сенс (населення I типу значно молодше за населення II типу).

3. Місце Сонячної системи в Галактиці.

Сонце разом з планетами рухається навколо ядра Галактики в одному з її «тихих закутків». Відстань до центра Галактики становить близько 9 кпк. Перебуваючи на такій відстані, Сонце здійснює один оберт навколо нього за майже 230 млн років, які становлять галактичний рік (швидкість руху Сонця - 220 км/с). Земля вже облетіла навколо центра Галактики приблизно 30 разів.

Водночас Сонячна система міститься в дещо особливій ділянці Галактики. Цю ділянку називають Місцевою Бульбашкою (Місцевий Пузир, англ.- Local Bubble), бо вона має вигляд міхура радіусом приблизно в 90 пк. В ній є локальна міжзоряна хмара поперечником 10 пк, де нині й міститься Сонячна система. Специфіка цієї ділянки полягає в тому, що всередині неї густина міжзоряного газу не більша за 1 атом на 10 см - це приблизно уп'ятеро менше, ніж в навколишньому просторі. Сонце разом з планетами увійшли в цю хмару, за різними оцінками, від 44 до 150 тис. років тому, а вийде з неї протягом десятків чи сотень тисяч років.³

Місцева Бульбашка - явище молоде. Ще 10 млн років тому вона не існувала, і Сонце з планетами рухалося крізь густіший, але й холодніший газ. Проте спалахи наднових зір на відносно близькій відстані від Сонця вимели з його околиць велику кількість газу, сприяючи утворенню Місцевого Пузиря.

Рис. 24.5. Приблизне місце розташування Сонця в галактиці та Місцевий Пузир

Під час утворення Місцевого Пузиря тиск газу мав би знищити локальну міжзоряну хмару. Але цього не трапилося, бо хмара має відносно сильне магнітне поле. Воно в сотню тисяч разів слабкіше, ніж магнітне поле Землі, але цього досить, щоб утримувати хмару від руйнування зовнішніми чинниками.

Сонячна система рухається крізь локальну міжзоряну хмару зі швидкістю близько 25 км/с, оточена геліосферою. Заряджені частинки міжзоряної речовини всередину Сонячної системи не проникають - геліосфера їх відхиляє. Натомість ті, що не мають заряду, проникають у внутрішню частину нашої планетної системи. Більшість із них потрапляє в сферу впливу Сонця і падає на нього. Для їх реєстрації та аналізу використовують космічні зонди, наприклад, IBEX (Interstellar Boundary Explorer, зонд для дослідження міжзоряного кордону). Він також вивчає взаємодію заряджених частинок на далеких кордонах Сонячної системи. Дані, отримані цим зондом, а також космічними апаратами «Вояджер-1», «Вояджер-2» та «Кассіні», свідчать, що форма геліосфери майже сферична, а не кометоподібна, як вважали раніше.

Рис. 24.6. Уявлення про геліосферу, що екранує близько 90 % космічних променів, захищаючи Сонячну систему

ТИПОВА ЗАДАЧА

• Обчисліть, бодай грубо, скільки часу космічний апарат «Вояджер-1» перетинатиме диск Галактики, рухаючись з швидкістю 17,0 км/с.

Відповідь: Діаметр диска Галактики становить приблизно 3 · 10 пк (або 9 · 10 км). З формули ⁴¹⁷s = t · v, знаходимо t = 0,53 · 10 с, або 1,58 · 10 років.¹⁷⁹

НАВЧАЛЬНЕ ЗАВДАННЯ

• Уявіть собі, що ви спостерігаєте Галактику, перебуваючи на самому краю її диска, де зір уже вкрай мало. Яким ви побачите тоді зоряне небо?

ВИСНОВКИ

Зоряну систему, в якій міститься Сонце, називають Галактикою (інакше - наша галактика, або Молочний Шлях). В ній розрізняють плоску і сферичну підсистеми, які також поділяються на кілька складових.