Звёзды Галактики.

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.

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.

Анализ вращения тел в Галактике показал, что масса ее должна быть в десять раз больше той, которую мы определяем по видимым объектам. Значит, помимо гало, балджа и диска, вместе с находящимся в них наблюдаемыми звездами и газом, есть огромные количества невидимого вещества, которое проявляет себя только в гравитационном взаимодействии, но не фиксируется никакими приборами. Его назвали темной материей. Диск и гало Галактики погружены в корону темной материи, размеры и масса которой в 10 раз больше, чем размеры диска и масса видимого вещества Галактики.

Природа бросила настоящий вызов человеческому знанию: в начале XXI века мы даже не представляем, из чего состоит вещество, в основном заполняющее Вселенную! По одной из гипотез часть темной материи может заключаться в коричневых карликах, в плотных и холодных молекулярных облачках, которые имеют малый размер и недоступны для обычных наблюдений, а также в огромном количестве нейтрино, которые имеют ненулевую массу покоя и заполняют периферию Галактики. Темная материя может находиться и в умерших звездах. Однако большинство космологов предполагает, что темное вещество состоит не из барионов, а из экзотических частиц, оставшихся после Большого взрыва.

Темная масса существует не только в нашей Галактике. Так, в середине восьмидесятых годов было установлено, что Местная группа галактик движется со скоростью более 600 км/с в сторону большого сверхскопления галактик. Эта скорость слишком велика, чтобы ее можно было объяснить гравитационным действием наблюдаемых галактик. Она свидетельствует о присутствии темной массы и между галактиками. Новейшие наблюдения слабых галактик с помощью чувствительных ПЗС-матриц позволили не просто подтвердить наличие скрытой массы в скоплениях галактик, но и "картографировать" ее распределение в скоплениях. В данном случае гравитация скопления "работает" в качестве собирающей линзы для изображений слабых голубых галактик  находящихся далеко за самим скоплением. При этом изображения далеких галактик искажаются, "вытягиваясь" в дуги разной длины с центром, совпадающим с центром скопления.

Природа сама придумала для астрофизиков гигантский всеволновой космический телескоп, основанный на эффекте гравитационного линзирования. Это явление, основанное на общей теории относительности, было теоретически предсказано в тридцатые годы ХХ века Альбертом Эйнштейном. Если на пути света от далекого источника до нас есть какой-либо массивный объект, например галактика, то лучи света в ее поле тяготения будут искривляться, и галактика выступит в роли линзы, собирающей свет. Результат, в частности, может заключаться в появлении кратного (двойного, тройного и т.д.) изображения одного и того же объекта, или усиления его яркости, если Земля оказалась на нужном расстоянии от гравитационной линзы. Первая гравитационная линза была открыта в 1979 г. Это был квазар.  Сейчас известно более 25 гравитационных линз. Среди гравитационных линз встречаются образования различной формы, а самыми эффектными выглядят кресты и кольца Эйнштейна. Природа же скрытой массы во Вселенной остается неясной до настоящего времени.

Размеры Галактики.

Основываясь на результатах своих подсчётов, Гершель предпринял по-пытку определить размеры Галактики. Он заключил, что наша звёздная сис-тема имеет конечные размеры и об-разует своего рода толстый диск: в плоскости Млечного Пути она про-стирается на расстояние не более 850 единиц, а в перпендикулярном на-правлении -- на 200 единиц, если принять за единицу расстояние до Си-риуса. По современной шкале рассто-яний это соответствует 7300 х 1700 световых лет.

Эта оценка в целом, верно, отражает структуру Млечного Пути, хотя она весьма неточна. Дело в том, что кроме звёзд в состав диска Галактики входят также многочисленные газо-пылевые облака, которые ослабляют свет удалённых звёзд. Первые иссле-дователи Галактики не знали об этом поглощающем веществе и считали, что они видят все её звёзды.

Истинные размеры Галактики бы-ли установлены только в XX в. Оказа-лось, что она является значительно более плоским образованием, чем предполагали ранее. Диаметр галак-тического диска превышает 100 тыс. световых лет, а толщина -- около 1000 световых лет. По внешнему виду Галактика напоминает чечевичное зерно с утолщением посередине.

Из-за того, что Солнечная система находится практически в плоскости Галактики, заполненной поглощаю-щей материей, очень многие детали строения Млечного Пути скрыты от взгляда земного наблюдателя. Однако их можно изучать на примере других галактик, сходных с нашей. Так, в 40-е гг. XX столетия, наблюдая галак-тику М 31, больше известную как ту-манность Андромеды, немецкий ас-троном Вальтер Бааде (в те годы он работал в США) заметил, что плоский линза образный диск этой огромной галактики погружён в более разрежен-ное звёздное облако сферической формы -- гало. Поскольку туманность Андромеды очень похожа на нашу Га-лактику, Бааде предположил, что по-добная структура имеется и у Млечно-го Пути. Звёзды галактического диска были названы населением I типа, а звёзды гало (или сферической соста-вляющей) -- населением II типа.

Как показывают современные ис-следования, два вида звёздного насе-ления отличаются не только про-странственным положением, но и характером движения, а также хими-ческим составом. Эти особенности связаны в первую очередь с различ-ным происхождением диска и сфери-ческой составляющей.

ГАЛО.

Границы нашей Галактики определяются размерами гало. Ра-диус гало значительно больше разме-ров диска и по некоторым данным достигает нескольких сот тысяч све-товых лет. Центр симметрии гало Млечного Пути совпадает с центром галактического диска.

Состоит гало в основном из очень старых, неярких мало массивных звёзд. Они встречаются как поодиночке, так и в виде шаровых скоплений, которые могут включать в себя более миллиона звёзд. Возраст населения сферической составляющей Галакти-ки превышает 12 млрд. лет. Его обыч-но принимают за возраст самой Га-лактики.

Характерной особенностью звёзд гало является чрезвычайно малая до-ля в них тяжёлых химических эле-ментов. Звёзды, образующие шаровые скопления, содержат металлов в сот-ни раз меньше, чем Солнце.

Звёзды сферической составляю-щей концентрируются к центру Га-лактики. Центральная, наиболее плот-ная часть гало в пределах нескольких тысяч световых лет от центра Галак-тики называется балдж (в переводе с английского “утолщение”).

Звёзды и звёздные скопления гало движутся вокруг центра Галактики по очень вытянутым орбитам. Из-за того, что вращение отдельных звёзд происходит почти беспорядочно (т. е. скорости соседних звёзд могут иметь самые различные направления), гало в целом вращается очень медленно.

ДИСК.

По сравнению с гало диск вращается заметно быстрее. Скорость его вращения не одинакова на раз-личных расстояниях от центра. Она быстро возрастает от нуля в центре до 200--240 км/с на расстоянии 2 тыс. световых лет от него, затем не-сколько уменьшается, снова возраста-ет примерно до того же значения и далее остаётся почти постоянной. Изучение особенностей вращения диска позволило оценить его массу. Оказалось, что она в 150 млрд. раз больше массы Солнца.

Население диска очень сильно от-личается от населения гало. Вблизи плоскости диска концентрируются молодые звёзды и звёздные скопле-ния, возраст которых не превышает нескольких миллиардов лет. Они об-разуют так называемую плоскую со-ставляющую. Среди них очень много ярких и горячих звёзд.

Газ в диске Галактики также сосре-доточен в основном вблизи его пло-скости. Он распределён неравномер-но, образуя многочисленные газовые облака -- от гигантских неоднород-ных по структуре сверх облаков про-тяжённостью несколько тысяч свето-вых лет до маленьких облачков размерами не больше парсека.

Основным химическим элемен-том в нашей Галактике является водо-род. Приблизительно на 1/4 она со-стоит из гелия. По сравнению с этими двумя элементами остальные при-сутствуют в очень небольших количе-ствах. В среднем химический состав звёзд и газа в диске почти такой же, как у Солнца.

ЯДРО.

Одной из самых интересных областей Галактики считается её центр, или ядро, расположенное в направлении созвездия Стрельца. Видимое излучение центральных областей Галактики полностью скрыто от нас мощными слоями поглощающей материи. Поэтому его начали изучать только после создания приёмников инфракрасного и радиоизлучения, которое поглощается в меньшей степени.

Для центральных областей Галактики характерна сильная концентрация звёзд: в каждом кубическом парсеке вблизи центра их содержатся многие тысячи. Расстояния между звёздами в десятки и сотни раз меньше, чем в окрестностях Солнца. Если бы мы жили на планете около звезды, находящейся вблизи ядра Галактики, то на небе были бы видны десятки звёзд, по яркости сопоставимых с Луной, и многие тысячи более ярких, чем самые яркие звёзды нашего неба.

Помимо большого количества звёзд в центральной области Галактики наблюдается околоядерный газовый диск, состоящий преимущественно из молекулярного водорода. Его радиус превышает 1000 световых лет. Ближе к центру отмечаются области ионизованного водорода и многочисленные источники инфракрасного излучения, свидетельствующие о происходящем там звездообразовании. В самом центре Галактики предполагается существование массивного компактного объекта - чёрной дыры массой около миллиона масс Солнца. В центре находится также яркий радиоисточник Стрелец А, происхождение которого связывают с активностью ядра.