5. Галактики. Эволюции Галактик

1.Общие представления о галактиках.

Галактики - это совокупности огромного количества звезд, межзвездных пыли, газа и других небесных объектов, объединенных в единую систему силами всемирного тяготения. Их размеры составляют примерно 10²⁰-10²²м. Число звезд в галактиках может достигать сотен и даже тысяч миллиардов. Однако существуют и карликовые галактики, содержащие десятки миллионов звезд. В видимой Вселенной, размер которой в настоящее время составляет 10²⁶m, могут находиться, по оценкам ученых, сотни миллиардов галактик. Солнечная система входит в состав галактики, которая называется

Первые галактики стали формироваться во Вселенной через несколько сотен миллионов лет после ее рождения. В 1948 г. Г.Гамов. (1904-1968) выдвинул гипотезу' рождения Вселенной в результате Большого Взрыва, который создал пространство, время, материю, а, следовательно, и энергию окружающего нас мира. В настоящее время считается, что это было около 13-15 млрд. лет. назад. Существует предположение, что большинство известных галактик образовались приблизительно в одно время.

Из теории Г.Гамова следует, что ранняя Вселенная имела очень высокую температуру (100 млрд. К) и большую плотность (10¹²кг/м³). Расширяясь, она охлаждалась. Начальная стадия быстрого расширения Вселенной названа инфляцией. До возраста, приблизительно равного 300 тыс. лет, она состояла из горячего вещества (электронов, позитронов, протонов, нейтронов, нейтрино и антинейтрино) и излучения (фотонов), которые взаимодействовали между собой и равномерно заполняли пространство ранней Вселенной. Когда ее температура снизилась до нескольких тысяч градусов, стали образовываться первые атомы (водорода, гелия и их изотопов), и вещество отделилось от излучения. В настоящее время температура такого излучения, которое назвали реликтовым, равна приблизительно 2.7 К, оно является изотропным (одинаковым по всем направлениям) и равномерно заполняет пространство Вселенной. Реликтовое излучение открыли в 1965 г. американские физики А. Пензиас и Р.Вилсон. В 1992 г. были обнаружены небольшие колебания его температуры в пределах от 2.7249 К до 2.7251 К в зависимости от направления. Температурные флуктуации реликтового излучения соответствуют слабым сгущениям материи в ранней Вселенной, благодаря которым стало возможным образование звезд и галактик.

Долгое время Вселенная была темной и холодной, т.к. ничто ее не освещало. Эта стадия развития Вселенной, названная «Темными, веками», закончилась, когда образовались первые звезды. Они возникли в результате концентрации водорода и гелия в местах с повышенной плотностью вещества. Силы гравитации сжали и нагрели такие сгустки, что привело к термоядерным реакциям синтеза химических элементов в их недрах, обеспечивающим энергией светимость звезд и галактик. По оценкам ученых переход от однородной водородно-гелиевой Вселенной к структурной Вселенной с галактиками и звездами длился от 1-го до 3-х миллиардов лет.

Ученые считают, что образование звезд и галактик в расширяющейся Вселенной было обусловлено существованием пространственной неоднородности вещества, возникшей из квантовых флуктуаций материи при рождении Вселенной, и гравитационной неустойчивостью любого неравномерного распределения масс (область пространства с большей плотностью вещества притягивает окружающие массы и таким образом способствует еще большему его уплотнению).

Галактики распределены во Вселенной не хаотично. Они сгруппированы в скопления, которые являются составными частями более крупных объектов -сверхскоплений галактик. Характерный размер скоплений - 10²³ м, сверхскоплений -10²⁴м. Млечный Путь вместе с Туманностью Андромеды и 34 меньшими галактиками 'входит в состав скопления, названного Местной группой, поперечный размер которой приблизительно равен нескольким миллионам лет. Ученые предполагают, что многие галактики, включая Млечный Путь, образовались миллиарды лет назад путем соединения более мелких.

В конце 70-х годов XX века было установлено, что Вселенная имеет ячеистую структуру и что галактики располагаются вблизи границ ее ячеек.

Большинство галактик во Вселенной вращаются, и если сложить их моменты импульса, то получится небольшая, но отличная от 0 величина. Согласно закону сохранения момента импульса именно такое значение имел момент импульса в рождающейся Вселенной. Поэтому она родилась вращающейся.

2. Разбегание галактик.

В 1922 г. российский математик А.А.Фридман (1888-1925) получил из уравнений общей теории относительности А.Эйнштейна (1879-1955) такие решения, из которых следовала нестационарность нашей Вселенной: ее расширение или сжатие.

Приблизительно в то же время астрономы обнаружили, что спектры излучения далеких звезд смещены в красную сторону по сравнению со спектрами ближних звезд. Это можно было объяснить с помощью эффекта 'Доплера, если предположить, что галактики удаляются от Земли. Согласно эффекту Доплера, если объект, излучающий волны любой природы, приближается к наблюдателю, то наблюдатель будет регистрировать волны меньшей длины, а если объект удаляется -то большей. Таким образом, излучение приближающегося объекта смещается для наблюдателя в фиолетовую часть спектра, а удаляющегося - в красную.

Разбегание галактик, обнаруженное Э.Хабблом, свидетельствовало о расширении Вселенной и таким образом подтвердило гипотезу А.А.Фридмана. Однако имеются и исключения из общего правила: некоторые галактики сближаются. Например, Млечный путь и Туманность Андромеды

У Вселенной нет центра, от которого разлетались бы галактики. Их разбегание непрерывно увеличивает расстояние между ними. При этом размеры самих галактик практически не меняются, т.к. между их объектами действуют огромные силы гравитационного притяжения.

3. Типы галактик.

В центральных областях галактик (ядрах) расположение звезд является более плотным, чем на их окраинах. Предполагается, что в ядрах галактик могут находиться черные дыры -объекты, обладающие огромным гравитационным полем, затягивающим вещество и излучение и не позволяющим им вырваться наружу.

По типам строения все галактики делятся на эллиптические, спиральные и неправильные. Эллиптические галактики (к этому типу относятся 13% галактик в видимой Вселенной) имеют красноватый цвет, который определяется излучением их старых звезд, распределенных в объеме, форма которого напоминает эллипсоид. Большинство таких галактик находятся в огромных галактических скоплениях.

Спиральными являются 34% галактик в наблюдаемой Вселенной. В их ядрах находятся старые звезды, а в спиральных рукавах - молодые, в основном, голубые звезды. Спиральными галактиками являются, например, Млечный Путь и Туманность Андромеды.

Оставшиеся 53% галактик видимой Вселенной называются неправильными, т.к. в их строении не выявлено характерных особенностей. Около половины вещества в таких галактиках составляет межзвездный газ, а среди их звезд присутствуют как молодые, так и старые. Неправильными являются ближайшие к нам галактики - Большое и Малое Магеллановы Облака, которые находятся на расстоянии около 170 тыс.световых лет от Млечного Пути. Обе эти галактики меньше нашей. Их можно увидеть невооруженным глазом только в южном полушарии. Впервые их наблюдали участники кругосветного путешествия Ф.Магеллана.

Массы галактик, оцениваемые по светящемуся веществу, изменяются в широком диапазоне: от 10⁶ М_с до 10¹² М_с (М_с ~ масса Солнца, равная 1.99*10³⁰ кг).

Полная энергия, испускаемая галактикой в окружающее пространство, определяется суммой излучений всех ее звезд - видимых и невидимых. Если в центре галактики с большой плотностью вещества расположена черная дыра с массой от миллиона до миллиарда солнечных масс, то она будет поглощать это вещество. Под действием огромного гравитационного притяжения черной дыры падающее в нее вещество должно разогреваться и излучать энергию. В настоящее время ученые периодически регистрируют мощные вспышки рентгеновского излучения из центральных областей некоторых галактик, что свидетельствует о возможном нахождении там массивных черных дыр.

Во Вселенной существуют мощные источники электромагнитного излучения. размеры которых больше звезд, но меньше галактик. Они были открыты в 1963 г. и названы квазарами - квазизвёздными радиоисточниками. Диаметр квазаров составляет приблизительно несколько световых недель, а масса превосходит 10⁶ М_с. Возраст самых отдаленных квазаров - около 12 млрд. лет. Светимость квазара может быть эквивалентной излучению десятков галактик. В настоящее время открыты тысячи квазаров, большинство которых расположены на границах видимой Вселенной. Предполагается, что квазары - это гигантские черные дыры с массой около 100 млн. солнечных масс, расположенные в плотных ядрах галактик и преобразующие гравитационную энергию падающего вещества в излучение.