5.5 Галактика Млечный путь

Наша галактическая система — рядовая звездная система. На небе в ясную безлунную ночь хорошо видна яркая белесоватая поло­са — Млечный Путь. Он простирается (при вечерних наблюдениях) через созвездия Скорпиона, Стрельца, Орла и дальше вверх к Лебедю, Цефее и Кассиопее. При утренних наблюдениях можно проследить его другую ветвь: по созвездиям Персея, Возничего, Тельца, Близнецов, Ориона и Большого Пса. В Южном полушарии он проходит через со­звездия Парусов, Киля, Южного Креста и Центавра. Таким образом, Млечный Путь образует на небе полный круг. Его светлое сияние происходит в основном из-за свечения бесчисленного количества сла­бых звезд.

Представление о том, что Млечный Путь состоит из огромного чис­ла звезд, восходит еще к Демокриту. Его догадку подтвердил Г. Гали­лей с помощью своего телескопа. У. Гершель обратил внимание, что в направлении созвездия Геркулеса звезды как бы раздвигаются, а на противоположной стороне — сближаются: подобное впечатление по­лучается при движении по дороге, по обеим сторонам которой выса­жены деревья. Таким образом, Солнце движется по отношению к бли­жайшим звездам, и расстояния до них неодинаковы.

Основателем звездной астрономии считается У. Гершель. Из своих наблюдений он заключил, что протяженность Галактики порядка 5800 св. лет, а ее толщина — 1100 св. лет. Гершель не знал о существо­вании межзвездного газа, поглощающего излучение звезд, в результа­те чего размеры Галактики кажутся нам уменьшенными в 15 раз. В XX в. были определены форма и масштабы этой гигантской звезд­ной системы и установлено место, которое занимает в ней наше Солн­це. Солнечная система находится между спиральными рукавами, один из которых виден в направлении на центр Галактики в созвездии Стрельца, а другой — в противоположном направлении, в созвездии Персея. Именно в направлении на созвездие Стрельца Млечный Путь выглядит наиболее ярко.

Галактика — это гигантская звездная система, состоящая почти из 200 млрд звезд, и Солнце — одна из них. Вообще галактики — огром­ные вращающиеся звездные системы. Они различаются и по внешне­му виду, и по характеристикам. Помимо звезд, в галактики входит межзвездное вещество: газ, пыль, частицы космических лучей. Счита­ют, что некоторые галактики по ряду свойств и по внешнему виду по­хожи на нашу Галактику, называемую Млечный Путь. Из их фотографий можно заключить, что это достаточно тонкий диск с утолщением в центре (рис. 20). В этом месте Галактика простирается на область с радиусом в 25 кпк и толщиной около 2 кпк, на расстоянии в 10 кпк от центра находится Солнечная система. Она движется вокруг центра Галактики почти по окружности со скоростью 240 км/с. Орбита Солнца лежит в плоскости Галактики, один оборот длится 240 млн лет. Maccа центральной части Галактики порядка 3 • 10⁴¹ кг. Предполагают, что большая масса рассредоточена на периферии Галактики, в области радиусом около 100 кпк. Многие звезды образуют группы — скопления. Эволюционные процессы связаны с такими характеристиками звезд, как возраст, химический состав, характеристики движений и про­странственное расположение.

Возраст звезд находится в достаточно большом диапазоне значе­ний: от сотен тысяч лет (возраст самых молодых звезд) до 15 млрд лет (возраст Вселенной). Есть звезды, образующиеся на наших глазах и находящиеся в протозвездной стадии.

Все звезды, по терминологии Бааде, предложенной в 1944 г., при­нято называть звездным населением. В плоскости Галактики располо­жены звезды молодые и среднего возраста — население I, или диска (звезды Главной последовательности спектральных классов О и В — самые молодые и горячие, G, К, М — карлики). Это рассеянные звезд­ные скопления, горячие звезды — гиганты и сверхгиганты, сверхно­вые звезды, долгопериодические цефеиды, молекулярные облака, светлые и темные туманности. Возраст их порядка 10⁷— 10⁸ лет, они не­давно образовались из межзвездного газа, поэтому находятся в плос­кости вблизи него. Сейчас межзвездного газа по массе немного—око­ло 5 % общей массы, и он сконцентрирован в спиральных рукавах. Наше Солнце находится посередине между двумя спиральными рука­вами (см. рис. 4). Самые старые составляют население II, или гало (шаровые скопления, содержащие до 1 млн звезд; рассеянные скопле­ния, содержащие лишь 100-1000 звезд; ( субкарлики II переменные типа RR Лиры); к старым относятся красные карлики, красные гиганты и цефеиды. Их возраст порядка 10 ¹⁰ лет.

Старые объекты находятся ближе к центру Галактики.

100 000 св. лет а б

Рис. 4. Положение Солнечной системы в Галактике (отмечено крестиком): а — вид сверху; б — вид сбоку.

Промежуточную по возрасту группу занимают звезды, заполняю­щие диск Галактики толщиной около 1 кпк. Это новые звезды, плане­тарные туманности, яркие красные гиганты, расположенные в ядре Га­лактики.

Сравнительно молодые звезды верхней части Главной последова­тельности входят обычно в состав рассеянных скоплений. Непосред­ственному наблюдению доступны около 1 000 таких скоплений, и все они принадлежат диску. Кроме рассеянных скоплений, в Галактике бо­лее 100 шаровых скоплений. Они получили такое наименование пото­му, что в центре скопления блеск близко расположенных звезд слива­ется в яркий фон. Ближайшее шаровое скопление можно видеть в со­звездии Центавра даже невооруженным глазом в виде размытого пят­на. Шаровые скопления очень устойчивы, они образуют сферическую подсистему. В них много бело-голубых звезд и мало красных гиган­тов. Многие из шаровых скоплений являются источниками мощного рентгеновского излучения. Это объясняют аккрецией (падением) меж­звездного газа на черные дыры, находящиеся, по мнению некоторых ученых, в центре шаровых скоплений.

Межзвездный газ относят к населению диска, поскольку по свое­му химическому составу, расположению и характеру движения он ближе всего к молодым звездам. В спектрах были открыты линии меж­звездного натрия, калия, железа, титана и водорода (по косвенным данным, например, потому, что водород образует вместе с атомом уг­лерода молекулу СН). Измерения взаимных положений компонентов в спектрах позволили составить схемы обращения облаков вокруг цент­ра Галактики. В 1951 г. советские астрономы Г. А. Шайн и В. Ф. Газе при фотографировании неба сквозь светофильтры, выделяющие от­дельные эмиссионные линии водородной серии Бальмера, открыли бо­лее 200 туманностей, которых не видно на обычных фотографиях. Сейчас установлено, что средняя плотность водорода в межзвездной среде порядка 0,1 частицы в 1 см³, тогда как в плотных облаках — до нескольких тысяч. Соотношение водорода и гелия в межзвездной сре­де оценивается как 9:1. В спиральных рукавах плотность водорода примерно на порядок выше, чем между рукавами.

Межзвездная среда ослабляет свет звезд примерно на 0,6 звездной величины на 1 пк, как доказал в 1847 г. русский астроном В. Я. Струве, а советский ученый П. П. Паренаго вывел формулу учета этого ослаб­ления. Межзвездная среда похожа на пыль, концентрация которой в 100 раз меньше газовой. Ее частицы напоминают ледяные загрязнен­ные кристаллики с Т ≈ 17 К. Газопылевые облака поглощают свет далеких звезд, при этом их поглощательная способность пропорциональ­на 1/λ. Например, ядро Галактики удается наблюдать только в инфра­красном и радиодиапазонах. В центре Галактики обнаружен мощный источник радиоизлучения Стрелец А. В нем предполагают наличие массивной черной дыры, окруженной газовым диском диаметром око­ло 1 млрд км. Из ядра, линейные размеры которого оценивают в 4 тыс. св. лет, с огромными скоростями (до 600 км/с) выбрасываются сгустки вещества, масса которых за год оценивается в массу Солнца. В основ­ном облака концентрируются вблизи галактической плоскости. Ту­манности скрывают тайны строения нашей Галактики.

Ядро Галактики изучено плохо, поскольку центральная область почти недоступна для наблюдений из-за сильного поглощения в меж­звездной среде. Наблюдения в разных областях спектра позволили уста­новить размер ядра примерно в несколько килопарсек. Плотность звезд достигает 10⁷ звезд/пк³, тогда как вблизи Солнца — 0,1 звезд/пк³. В цен­тре Галактики находится источник нетеплового излучения (Стрелец А); вероятно, очень быстрые электроны, которые возникают при вспышках сверхновых звезд или пульсаров, ускоряются в магнитных полях. Мощ­ное излучение от ядра существует в радиодиапазоне и в инфракрасной области. Есть предположения, что это массивное быстро вращающееся плазменное тело — «магнетоид» или черная дыра.

Движения старых и молодых звезд в Галактике имеют различия. У старых — большие эксцентриситеты орбит, а молодые движутся почти по окружностям. Получаются две подсистемы: молодые звезды быстро вращаются внутри почти неподвижной системы более старых звезд. Оказалось, старое население Галактики более или менее равно­мерно занимает почти сферический объем, концентрируясь ближе к центру, а молодое — концентрируется в диске, толщина которого в десятки раз меньше радиуса. Поэтому на больших расстояниях от центра преобладает излучение звезд диска, а вблизи центра — излуче­ние сферической подсистемы. Возникает некое утолщение диска в его центре. Советский ученый Б. В. Кукаркин выделил в Галактике три подсистемы: плоскую, промежуточную и сферическую, различающие­ся по степени сосредоточенности звезд. Он показал, что звезды с оди­наковыми физическими характеристиками одинаково распределены в пространстве. Вблизи Солнца пространственные скорости звезд раз­личны по величине и направлению и составляют относительно Солнца 20-30 км/с.

Обнаруживается и вращение вокруг центра Галактики. Участвуя в общем движении Галактики, Солнце вместе со своей системой дви­жется со скоростью 240 км/с и делает полный оборот вокруг центра за 240 млн лет. Этот промежуток времени называют галактическим го­дом. Направляя радиотелескоп в разные участки Млечного Пути, уче­ные изучили распределение водорода в пространстве облаков, линия водорода на λ = 21 см оказалась расщепленной на несколько отдель­ных компонентов. По водородным линиям установлены спиральные рукава, вдоль которых образуются молодые звезды.

Лучевые скорости звезд определяют по доплеровскому смещению спектральных ли­ний. Сравнение фотографий звезд, сделанных через доста­точно большие интервалы времени, показывает наличие двух составляющих — луче­вой (по направлению к наблю­дателю) и тангенциальной. Для представления о прост­ранственной скорости необхо­димо знать обе составляющие. Если лучевую определяют по эффекту Доплера, то для рас­чета тангенциальной состав­ляющей нужно знать и рассто­яние до звезды. Звезды гало и диска Галактики различны и по своим пространственным скоростям: у звезд гало скоро­сти в 4-5 раз больше.

Отличия химического состава (различное содержание тяжелых элементов) звезд гало и диска позволили выстроить последователь­ность жизни звезд. Предполагается, что Галактика как система звезд образовалась примерно 13 млрд лет назад. На «дозвездной», или «до-галактической», стадии развития вещество Вселенной не содержало никаких элементов, кроме водорода (3/4) и гелия (1/4). Гравитацион­ные силы сжимали облако, и возникли первые неоднородности, среди которых выделились области с большой плотностью и в которых на­чался процесс звездообразования. Возникли и первые скопления звезд. Появились шаровые и рассеянные скопления, в них сформировалось некоторое количество звезд классов О и В. Они «сгорели» за 1 млрд лет, закончив свою эволюцию вспышкой сверхновой.

Более тяжелыми элементами обогатили межзвездную среду оболочки взрывающихся звезд. Первые поколения звезд содержат элементы более тяжелые, условно их называют металлами.

Появление тяжелых элементов говорит о том, что, прежде чем попасть в эти звезды, первичное вещество подверглось каким-то ядерным превращениям и обогатилось тяжелыми элементами. Большинст­во звезд имеют малую массу, которой недостаточно для выработки тя­желых металлов путем термоядерных реакций. Такие звезды, как наше Солнце, способны только превращать водород в гелий, поэтому их хи­мический состав не меняется и соответствует тем химическим элемен­там, из которых они образовывались. Тот факт, что молодые звезды гораздо богаче металлами, чем старые (у Солнца металлы составляют 2-3 % массы), и что межзвездная среда имеет близкий процент содер­жания металлов, говорит