Тема 9. Молочний Шлях. Будова Галактики. Місце Сонячної системи в Галактиці.

Перші дослідження нашої Галактики як зоряної системи розпочав В. Гершель. Російський учений В. Струве (1793-1864) писав: «Явище Молочного Шляху настільки загадкове з першого погляду, що ми повинні майже відмовитись від бажання його пояснити. Проте вчений ніколи не повинен відступати ні перед темрявою явища, ні перед труднощами дослідження». Однією з причин такого песимізму було те, що ми перебуваємо всередині цієї велетенської зоряної системи. її краї недосяжні для вивчення або з огляду на замалу потужність засобів досліджень, або ж тому, що у вирішальних напрямках далекі зорі екрануються густими комплексами газово-пилових хмар. Тому задачу астронома порівнюють із зусиллям людини, яка повинна описати будову великого невідомого міста, опинившись на перехресті двох вулиць у його центрі.

Справжнє відкриття Галактики як фізичного об'єкта відбулося 1924 p., коли Е. Габбл довів, що вона - лише один із багатьох подібних до неї зоряних світів. Збагачення уявлень про Галактику розпочалося з 60-х років XX ст. після створення потужних наземних і космічних телескопів.

Зоряні скупчення та асоціації. Туманності

1. Молочний Шлях. Молочний Шлях - це відносно яскрава сріблясто-біла смуга на зоряному небі, яку давні греки назвали «галактикос» (від грец. «гала» - «молоко»). У північній півкулі неба Молочний Шлях проходить через сузір'я Близнят,

Тельця, Візничого, Кассіопеї, Цефея, Лебедя. У цьому сузір'ї він роздвоюється і двома смугами проходить через сузір'я Орла, а далі, в південній півкулі неба. Щита, Стрільця, Змієносця і Скорпіона. Описавши дугу на відстані 25° від

Південного полюсу світу, в Україні він з'являється над горизонтом у сузір'ї Великого Пса і Однорога, переходячи в північну півкулю неба через сузір'я Оріона.

Кільце Молочного Шляху утворюють найближчі до нас зорі Галактики, яка як зоряна система має вигляд диска чи двоопуклої лінзи. Для перших її дослідників це кільце створювало враження, нібито Сонце перебуває у центрі Галактики. Як побачимо далі, це зовсім не так.

При обговоренні будови Галактики ще В. Гершель через середину Молочного Шляху провів уявну площину, згодом названу галактичною. Підраховуючи кількість зір, що їх видно в телескоп у кожній із 1083 невеличких, але однакових ділянок неба, розташованих на різних кутових відстанях від згаданої площини, Гершель побудував першу модель Галактики. У цій моделі Галактика мала вигляд диска діаметром 5 800 і товщиною 1 100 св.р. Тепер можна сказати, що він применшив розміри Галактики в 17 разів, бо не врахував поглинання світла зір міжзоряним газом, про яке тоді було невідомо.

Зоряні скупчення та асоціації. Деяка частина зір Галактики об'єднана в скупчення, тобто в групи, які пов'язані між собою взаємним тяжінням і тому рухаються в просторі як єдине ціле. Розрізняють два види зоряних скупчень: розсіяні та кулясті.

Розсіяні зоряні скупчення складаються з декількох десятків, сотень, іноді тисяч зір і мають неправильну форму, їхні діаметри становлять 10-20 св.р. Майже всі розсіяні зоряні скупчення знаходяться в районі Молочного Шляху або поблизу нього. їх виявлено близько 1 200, а найвідоміші з них - Плеяди та Пади. Зокрема, в Плеядах неозброєним оком видно лише сім-десять зір, а при спостереженні у телескоп - понад дві сотні.

Кулясті зоряні скупчення мають сферичну або злегка сплюснуту форму діаметром до 300 св. р. Вони налічують сотні тисяч і навіть мільйони зір, які групуються до центра.

Як показали спостереження, більшість кулястих зоряних скупчень знаходяться в одній частині неба в сузір'ї Стрільця.

Правильний висновок із цього ще 1918 р. зробив американський астроном X. Шеплі. Визначивши відстані до 70 кулястих скупчень, він довів, що вони згруповані навколо центра Галактики. Сам же центр Галактики знаходиться в сузір'ї Стрільця дещо нижче зорі х> майже на стику «кордонів» сузір'їв Стрільця, Скорпіона і Змієносця.

На відміну від розсіяних скупчень, усі кулясті скупчення розташовуються сферично-симетрично відносно центра Галактики, помітно концентруючись навколо нього.

Дуже показовою є різниця діаграм спектр-світність для розсіяних і кулястих скупчень. У розсіяних зоряних скупченнях багато масивних яскравих зір, а також змінних, спалахуючих та зір з незвичайним хімічним складом. Всі вони вкладаються на головну послідовність, тоді як червоних гігантів і надгігантів там практично немає. Це свідчить про те, що вік розсіяних скупчень у середньому становить лише 1 млрд років. Кулясті скупчення, навпаки, в більшості складаються з зір маломасивних, на пізніх етапах еволюції. На діаграмі спектр-світність вони від спектрального класу F0 широкою смугою простягаються практично вертикально вгору до зони червоних гігантів. Вік кулястих скупчень оцінюють у 10-12 млрд років.

У 20-х роках XX ст. увагу астрономів привернули групи біло-голубих зір, що згодом отримали назву ОВ-асоціацій. Досліджуючи їх, у 1952 р. В. А. Амбарцумян зробив висновок, що процес групового формування зір продовжується і в наш час. Тоді ж він відкрив групи змінних типу Т Тельця, які отримали назву Т-асоціацій. Це - молоді зорі.

Туманності. Не лише зорі населяють нашу Галактику. Міжзоряний простір заповнено газом та пилом. Ці газ та пил дуже розріджені - одна частинка на 10 см3. Та часом вони утворюють величезні за розмірами (10-100 пк), досить щільні (10-100 частинок в 1 см3), неправильної форми хмари - дифузні туманності. Дифузні туманності поділяють на світлі й темні.

У темні серпневі ночі, коли сузір'я Лебедя майже в зеніті, можна бачити, що Молочний Шлях, починаючи від Денеба - найяскравішої зорі у Лебеді, двома іскристими стрічками тягнеться до горизонту і далі під горизонт до сузір'я Кентавра. У багатьох його ділянках є зони, де майже відсутні яскраві зорі. Так проявляють себе темні туманності, які поглинають світло зір, що знаходяться далі. Маси окремих із них сягають 10 000Мс.

Якщо поблизу туманності є достатньо яскрава зоря, то туманність відбиває її світло і завдяки цьому стає світлою туманністю. Якщо ж зорі, що знаходяться поблизу або всередині туманності, дуже гарячі (спектрального класу О чи БО), то, іонізуючи своїм ультрафіолетовим випромінюванням газ, що входить до її складу, вони змушують його світитися так само, як це відбувається в полярних сяйвах на Землі. Тоді до відбитого пилом світла додається власне випромінювання газів туманності.

Найвідомішою серед світлих туманностей є знаменита туманність Оріона, яку видно навіть неозброєним оком як слабеньку хмарку (мал 25.6). Розмір цієї туманності приблизно 20 св. p., відстань до неї - майже 1 000 св. р. Цікаво, що в цій туманності (як загалом і в інших), окрім молекул і атомів водню, знайдено молекули кисню, води, ціану, метану, окису вуглецю та складних органічних молекул.

Окрім дифузних, існують також компактні туманності правильної форми. Вони поділяються на волокнисті та планетарні. І якщо саме з дифузними туманностями пов'язують на сьогоднішній день утворення зір, то волокнисті та планетарні туманності формуються на заключних стадіях розвитку зір зі скинутих ними оболонок.

Принаймні частина волокнистих туманностей -це залишки спалахів наднових. Одна з них - вже згадувана Крабоподібна туманність із сузір'я Тельця, відстань до якої становить 5 500 св. p., а видима зоряна величина 8,6"'.

Планетарними названо туманності кільцеподібної форми, які здалека мають вигляд слабких кілець або дисків. Серед них і планетарна туманність Равлик із сузір'я Водолія (мал. 25.8). Відстань до неї - всього 650 св. р. Такі туманності розширюються зі швидкостями 20-40 км/с, так що через 10-20 тис. років після «народження» вони розсіюються в просторі і стають невидимими. Планетарні туманності світяться за рахунок ультрафіолетового випромінювання тих зір, чиїми оболонками вони колись були.

Як уже було згадано, частина речовини у міжзоряному середовищі перебуває в розпорошеному стані. Завдяки поглинанню нею світла від далеких зір у їхніх спектрах виявлено лінії поглинання, що належать атомам і молекулам міжзоряного газу.

1. Які форму і розміри має наша Галактика?

2. Чим відрізняються між собою діаграми спектр-світність для кулястих і розсіяних скупчень?

3. Розташування яких об'єктів на небі дало поштовх до пошуку положення центра Галактики?

4. Чим відрізняються між собою світлі та темні туманності?

25.1. На карті зоряного неба знайдіть: а) положення центра Галактики; б) точку небесної сфери, у напрямку якої рухається Сонце (її координати а = 18"00", б = +30").

Уявлення про населення Галактики увів 1944 р. німецький астроном В. Бааде (1893-1960). Спочатку воно стосувалося Туманності Андромеди (галактика М31). При її фотографуванні через синій і червоний світлофільтри він виявив, що плоский лінзоподібний диск цієї велетенської галактики занурений у більш розріджену зоряну хмару сферичної форми - гало. Оскільки туманність Андромеди дуже схожа на нашу Галактику, Бааде припустив, що подібну структуру має і Молочний Шлях.

Об'єкти спіральних рукавів галактичного диска було названо населенням І типу. А зорі гало, які концентруються симетрично щодо центра системи, - населенням II типу.

із плоскою складовою,а зорі гало (населення II типу) - зі сферичною складовою нашої Галактики (мал. 26.1). Як показали сучасні дослідження, два типи зоряного населення розрізняються не тільки просторовим розподілом, але й хімічним складом - зорі кулястих скупчень (населення II типу) містять приблизно у 100-300 разів менше металів, ніж зорі спіральних гілок (населення І типу).

Мабуть, кулясті скупчення зберегли хімічний склад тієї бідної на важкі хімічні елементи догалактичної хмари (чи системи хмар), з якої вони формувалися разом з Галактикою. У подальшому розвитку дога-лактична хмара, яка займала сферичний об'єм, стискалась, утворюючи диск, що обертався. Газ, який одразу не сконденсувався у зорі, при обертанні Галактики поступово осідав до її площини. Водночас у ньому йшло формування зір, які також розташовувались у площині Галактики. Масивні зорі галактичного диска швидко проходили всі етапи свого еволюційного шляху, спалахували як наднові й поповнювали міжзоряне газово-пилове середовище важкими хімічними елементами. З нього формувалися нові зорі. Отже, кожне наступне покоління зір у спіральних рукавах ставало багатшим на важкі хімічні елементи, ніж попереднє.

Водночас еволюціонували і зорі кулястих скупчень. Масивні зорі вже давно припинили своє існування, але молоді за відсутності матеріалу не утворились. Тому там залишилися тільки старі маломасивні зорі, вік яких оцінюється у 10-12 млрд років, а також, напевно, білі карлики, нейтронні зорі, чорні діри.

Таким чином, поділ на населення різних типів (підсистеми Галактики) має глибокий еволюційний зміст і відображає різне походження плоскої та сферичної складових.

Гало, диск і ядро Галактики. Гало або корона Галактики (І, мал. 26.1) складається в основному з газу, газових хмар і дуже старих неяскравих зір, як поодиноких, так і у вигляді кулястих скупчень. Концентруючись до центра Галактики, вони утворюють так званий балд ж (з англ. - «потовщення») у межах кількох тисяч світлових років від нього. Рухаючись по витягнутих еліптичних орбітах, зорі гало дуже повільно обертаються навколо центра Галактики.

Радіус гало, за останніми даними з Космічного телескопа ім. Габбла, сягає 300 000 св. р. Саме цим радіусом і окреслюються межі Галактики.

Порівняно з гало диск обертається набагато швидше. Швидкість його обертання, яка визначається швидкістю руху зір, не однакова на різних відстанях від центра. Вивчаючи особливості обертання диска, можна визначити його масу. Виявилося, що диск має діаметр 100 000 св. p., товщину центральної зони 10 000 св. p., масу 150 млрд Mq за загальної кількості зір 400 млрд.

Поблизу площини диска знаходиться дуже багато молодих зір і зоряних скупчень, не старіших за 1 млрд років. Газ у диску також

До населення І типу належать, зокрема, зорі розсіяних скупчень, до населення II типу - зорі кулястих скупчень. У наш час зорі спіральних рукавів (населення І типу) ототожнюють зосереджений біля його площини. В середньому хімічний склад населення в диску такий же, як і в Сонця.

Ядро Галактики повністю приховане від нас товстим шаром поглинаючої матерії. Але певною мірою «наблизитись» до нього вдалося завдяки спостереженням в інфрачервоному діапазоні. Адже розрахунок показує, що на відстані від центра Галактики до Сонця інфрачервоне випромінювання послаблюється всього у 10 разів, тоді як у видимому діапазоні у 10і2 разів, тобто на ЗО™.

Отже, тепер можна стверджувати, що діаметр ядра Галактики сягає 4 000 св. р. Для нього типова дуже велика концентрація зір - багато тисяч на кубічний світловий рік. Окрім цього, в центральних частинах ядра спостерігається навколоядерний газовий диск радіусом у 1 000 св. р. Ближче до центра відмічено зони іонізованого водню і численні джерела рентгенівського та інфрачервоного випромінювання, що свідчить про інтенсивне зореутворення.

За однією з гіпотез, у центрі Галактики є одинарна або подвійна чорна діра з масою близько 106МR, оточена щільним газово-пиловим диском. В центрі Галактики є також яскраве радіоджерело Стрілець А, походження якого пов'язують з активністю ядра. Втім, дослідження ядра Галактики лише розпочалося.

Спіральна структура Галактики.

Припущення, за яким наша Галактика є системою спіральних рукавів, було висловлено в середині XIX ст. І лише через сто років під час дослідження розподілу в просторі розсіяних зоряних скупчень виявилося, що вони вкладаються у три вузькі смуги, які можна вважати частинами спіральних рукавів.

Наша Галактика має дуже добре виражену спіральну структуру. Певний час складалася думка, нібито в Галактиці чотири спіралі, однак зараз надійно доведено, що їх дві.

На відміну від гало, де прояви зоряної активності надзвичайно рідкісні, в спіральних рукавах триває бурхливе життя: речовина безперервно переходить з міжзоряного простору в зорі під час їхнього утворення і у зворотному напрямку на заключних стадіях еволюції.

Магнітне поле Галактики також зосереджене головним чином у спіралях. За сучасними уявленнями, спіральні рукави в Галактиці утворюються завдяки наявності в центрі системи певного спотворення її форми, наприклад, через наявність перемички в ядрі, яка обертається як тверде ТІЛО. 4. Місце Сонця в Галактиці. В околицях Сонця можна прослідкувати ділянки двох спіральних рукавів, віддалених приблизно на 3 000 св.р. За назвами сузір'їв, де вони спостерігаються, їх називають рукавом Стрільця і рукавом Персея. Сонце знаходиться майже точно посередині між ними. Щоправда, недалеко від Сонця, в сузір'ї Оріона, проходить ще один, не так явно виражений рукав, який вважається розгалуженням одного з основних спіральних рукавів.

Відстань від Сонця до центру Галактики становить, за різними оцінками, 22-33 тис. св. р. Відносно найближчих зір Сонце рухається зі швидкістю 16 км/с в напрямку сузір'я Геркулеса. Разом з усіма близькими зорями Сонце обертається навколо центра Галактики в напрямку на сузір'я Лебедя зі швидкістю близько 250 км/с.

Період обертання Сонця навколо центра Галактики становить приблизно 200 млн. років і називається галактичним роком.

Спіральні рукави як ціле і окремі зорі рухаються навколо центра Галактики з різними швидкостями. Кожна зоря то потрапляє у спіральний рукав, то виходить із нього. І тільки Сонце знаходиться в такому її місці, де його швидкість навколо центра Галактики практично збігається зі швидкістю спірального рукава.

Така ситуація загалом неординарна для Галактики. Саме на цій віддалі від центра за. всю історію свого існування Сонце жодного разу не потрапило в спіральні рукави. Для Землі це вкрай сприятливо, бо якби ми потрапили в спіральний рукав, бурхливі процеси, що породжують смертоносне випромінювання, знищили б усе живе на Землі. Отже, наша планета існує у відносно спокійному місці Галактики впродовж м .льярдів років, не відчуваючи катастрофічного впливу космічних ка-таклізмів. І, можливо, саме тому на Землі могло зберегтися життя.

Довгий час положення Сонця серед зір вважалося найзви-чайнісіньким. Сьогодні ми знаємо, що це не так: у певному розумінні воно привілейоване. І це треба враховувати, обмірковуючи можливість життя в інших частинах нашої Галактики.

1. У чому принципова різниця між об'єктами, що утворюють населення І і II типу?

2. Який еволюційний зміст мають окремі підсистеми в Галактиці?

3. Розкажіть про можливі причини формування спіральних рукавів Галактики.

4. Чому положення Сонця і Землі в Галактиці можна вважати привілейованим?

Молочний Шлях - це видима частина Галактики.

Галактика складається із зір, зоряних скупчень, міжзоряного газу, різноманітних полів і випромінювання.

Сонячна система належить Галактиці й знаходиться ближче до її периферії, ніж до центра.

У Галактиці є зоряне населення І і II типів.

Галактика має добре розвинену спіральну структуру.