АСТРОНОМІЯ - М. В. Головко 2018

Частина 2. Основи астрономії

Розділ ІІІ. Елементи позагалактичної астрономії

ТЕМА 3.2. ГАЛАКТИКИ

§ 27. ВЕЛИКОМАСШТАБНА СТРУКТУРА ВСЕСВІТУ

Вивчення об'єктів, що лежать за межами нашої галактики нині відбувається дуже активно. Цьому сприяє те, що астрономи мають великі телескопи й чутливі приймачі випромінювання.

1. Закон Габбла-Леметра, визначення відстаней до галактик.

Дослідження Е. Габбла, зокрема спектрів галактик, виявили важливу закономірність: що далі галактика від Землі, то з більшою швидкістю вона рухається, віддаляючись від нас. Такий висновок було зроблено на підставі зміщення спектральних ліній галактик у червону ділянку спектра (рис. 27.1).

Рис. 27.1. Зміщення спектральних ліній галактики в червону ділянку спектра (а) у порівнянні з лабораторним (еталонним) спектром (б)

Фактично Габбл пояснив зміщення спектральних ліній дією відомого ефекта Доплера й відкрив явище розбігання галактик. Залежність між відстанню до галактики та швидкістю її віддалення називають законом Габбла-Леметра:

де v - швидкість віддалення галактики від спостерігача, r - відстань до неї, а H - стала Габбла.

Сталу Габбла H визначають зі спостережень. Нині її значення оцінюють приблизно в 71,9 ± 2,7 км/(сМпк) (кілометрів на секунду на мегапарсек). На таку величину зростає швидкість руху галактики на кожний мегапарсек.

У наш час з червоних зміщень визначають відстані до галактик, віддалених від Землі на тисячі мегапарсек. Але треба мати на увазі, що значення цих відстаней залежить від моделі еволюції Всесвіту (ч. 2, § 28, п. 2), яку використовують для розрахунків. Крім того, відстань, на якій була галактика в момент генерації світла, відстань до неї в момент, коли це світло дійшло до Землі, а також відстань, яку світло пройшло від початкової точки до кінцевої,- мають різні значення. Тому астрономи зазвичай для далеких об'єктів вказують значення червоного зміщення, не вдаючись до пояснення, про яку відстань ідеться.

Рис. 27.2. Графік, що ілюструє закон Габбла-Леметра

Закон Габбла дає змогу оцінити вік Всесвіту (звісно, вельми спрощено і приблизно). Припустімо, що всі галактики від самого початку віддалялися від нас з тією ж швидкістю v, яку ми спостерігаємо нині. Нехай t - час, що минув від початку їх розльоту. Це і буде вік Всесвіту, а визначають його співзалежністю:

v · t = r, або t = r/v (27.2).

Але із закону Габбла-Леметра (27.1) випливає, що r/v = 1/H, тому вимірявши швидкості віддалення галактик і визначивши Н, можна отримати оцінку часу, протягом якого галактики розбігаються. Це і є прогнозований час існування Всесвіту. Звернімо увагу на те, що визначене в такий спосіб значення t, дуже чутливе щодо значення сталої Габбла. Лише її точна величина дає «справжній» вік Всесвіту.

Донедавна закон Габбла-Леметра був прямо перевірений лише на відносно невеликих відстанях - тих, що вдавалося більш-менш точно виміряти. Про те, як відбувалося розширення Всесвіту в далекому минулому, тобто на великих відстанях, можна було робити висновок лише з непрямих спостережень. Виконати пряму перевірку закону Габбла-Леметра на великих відстанях вдалося лише в кінці XX ст., коли з'явилася змога визначати відстані до далеких галактик зі спалахів у них наднових зір.

2. Розширення Всесвіту і просторовий розподіл галактик.

Із закону Габбла-Леметра випливає два важливих висновки. Перший - Всесвіт розширюється, наслідком чого і є розліт галактик. Але вони не просто розлітаються в різні боки у просторі, а розсовується сам простір. При цьому зорі чи галактики не зазнають цього розширення (принаймні досі це не зареєстровано), бо завдяки гравітації є стійкими утвореннями. Ще одна особливість такого розширення - зі спостережень із Землі здається, що скупчення галактик розбігаються однаково в різних напрямках так, як наче наша галактика є центром Всесвіту. Це оманливе враження. Спостерігач скрізь у Всесвіті буде бачити однакову картину - всі галактики розбігаються від нього. Це означає, що Всесвіт немає центру, від якого йде розширення.

Рис. 27.3. Схема Місцевої групи галактик до якої належить Молочний Шлях

Другий висновок - Всесвіт колись мав початок. Такий висновок легко отримати, якщо подумки «прокрутити назад» умовну кінострічку розширення Всесвіту. В результаті ми дійдемо до моменту часу, коли вся речовина нашого світу була зосереджена в одній точці.

Нині відомо, що галактики, як і зорі, утворюють скупчення. Наша галактика і ще майже три десятки її сусідок належать до скупчення, яке називають Місцевою групою галактик. Серед них, окрім Молочного Шляху, є ще дві великі галактики: Туманність Андромеди й галактика в сузір'ї Трикутника. Всі інші члени - карликові галактики неправильної форми.

Рис. 27.4. Найближче до Землі велике скупчення галактик у сузір'ї Діви

За кількістю наявних галактик скупчення поділяють на багаті (вміщують сотні й тисячі членів) і бідні (вміщують десятки членів), а за формою - на регулярні, або правильні, що мають сферичну симетрію й велику концентрацію до центра, та іррегулярні, або неправильні, більш дифузні й розмиті. У центрі багатих скупчень зазвичай є масивна еліптична галактика.

Найближче до Землі багате неправильне скупчення лежить в напрямку сузір'я Діви (часто говорять «в сузір'ї Діви») на відстані близько 15 Мпк. Воно вміщує майже 2500 галактик, а його центр перебуває приблизно біля гігантської еліптичної галактики М87.

Рис. 27.5. Схема місцевого надскупчення галактик

Типовим представником багатого правильного скупчення є скупчення в сузір'ї Волосся Вероніки. Воно лежить від Землі на відстані майже 125 Мпк (567 млн св. р.) і налічує близько 40 000 галактик.

Водночас скупчення галактик об'єднані в галактичні надскупчення. У другій половині 50-х років ХХ ст. було виявлено, що більша частина найяскравіших галактик, видимих із Землі, утворюють цілісну структуру, в центрі якої міститься скупчення в сузір'ї Діви, а на її периферії перебуває наша Місцева група галактик. Цю структуру назвали Місцевим надскупченням галактик. Воно охоплює в космосі ділянку розмірами в кілька десятків мегапарсек, що в 10 разів перевищує розміри скупчення в сузір'ї Діви.

Рис. 27.6. Комірчаста структура Всесвіту

Дослідження розподілу скупчень і надскупчень галактик у великих об'ємах простору впродовж останніх 50 років дозволило космологам створити великомасштабну модель Всесвіту. Згідно з цією моделлю, Всесвіт має комірчасту структуру, тобто складається з велетенських порожнин (їх називають войдами), схожих на бджолині стільники, що дотикаються один до одного. Скупчення й надскупчення галактик, зібрані у волокнисті структури, «нитки», завдовжки в десятки мегапарсек, утворюють своєрідні «стіни», які охоплюють порожнини. Та насправді порожнини - не зовсім порожні. Тепер відомо, що там, де ми бачимо начебто пустий простір, присутня темна матерія, природа якої досі невідома.

НАВЧАЛЬНІ ЗАВДАННЯ

• Що є об'єктом вивчення позагалактичної астрономії? Коли виник цей розділ астрономії?

• Які спостереження привели до розуміння того, що наш Всесвіт розширюється? Хто їх виконав і коли?

ВИСНОВКИ

Закон, відкритий теоретично Ж. Леметром та зі спостережень Е. Габблом, відображає закономірність: що далі галактика від Землі, то з більшою швидкістю вона рухається. Галактики утворюють скупчення й надскупчення, які формують у Всесвіті волокнисті структури завдовжки в десятки мегапарсек. Згідно з великомасштабною моделлю, Всесвіт має комірчасту структуру, тобто складається з великих порожнин (войдів), схожих на бджолині стільники, що дотикаються один до одного.