Общее представление о галактиках и их изучении

Слово «гала́ктика» происходит от греческого названия нашей Галактики (kyklos galakxias означает «молочное кольцо» - как описание наблюдаемого явления на ночном небе). Впервые природа Млечного Пути была установлена итальянским астрономом Галилеем, когда он направил свой телескоп на небосвод зимой и увидел, что он состоит из огромного числа тусклых звезд.

В 18 столетии Уильям Гершель построил телескоп с диаметром зеркала 1,2 м. Наблюдая за звездным небом, астроном-любитель стал понимать, что такое Млечный Путь на самом деле. Это вид изнутри на звезды, составляющих нашу звездную систему. Подсчитав звезды по обеим сторонам от Млечного Пути, Гершель сделал вывод, что Галактика имеет линзовидную форму: она более толстая в центре и тоньше по краям. Также сэр Уильям Гершель со своей сестрой и сыном разглядели неизвестные ранее туманности и звездные скопления. В результате своих наблюдений они составили каталог, в который вошло около 5000 туманностей.

Сначала туманности астрономов раздражали. Вплоть до середины XIX века обнаруженные туманности рассматривали как досадную помеху, мешавшую наблюдать звезды и искать новые кометы. Туманностями в астрономии называли любые неподвижные протяжённые светящиеся астрономические объекты, включая звёздные скопления или туманные пятна за пределами Млечного Пути, которые не удавалось разложить на звёзды.

По мере развития астрономии и разрешающей способности телескопов, понятие «туманность» всё более уточнялось. Часть «туманностей» была идентифицирована как звёздные скопления. Также были обнаружены тёмные газопылевые туманности, они представляют собой непрозрачные газопылевые облака. И, наконец, в 1920-х годах сначала К.Э.Лундмарку (1889 – 1958), а затем и Эдвину Хабблу (1889-1953) удалось доказать, что туманности за пределами Млечного Пути – это аналогичные ему галактики, состоящие из огромного количества звезд. Хаббл сумел разглядеть внешние части некоторых спиральных туманностей как скопления отдельных звёзд и определить среди них переменные-цефеиды. В 1936 Хаббл построил классификацию галактик, которая используется по сей день и называется последовательностью Хаббла.

Галактикой называется большая система из звёзд, межзвёздного газа и пыли, тёмной материи и, возможно, тёмной энергии, связанная силами гравитационного взаимодействия. Обычно галактики содержат от 10 миллионов до 1 триллиона и более звёзд, вращающихся вокруг общего центра тяжести.

Одна из главных задач внегалактической астрономии связана с определением расстояний до галактик и размеров самих галактик. Расстояния до ближайших галактик, которые можно разложить на звезды, определяются по их светимости. Сложнее установить расстояние до далеких галактик.

Почти сто лет назад американский астроном Весто Слайфер (1875-1969) обнаружил, что линии в спектрах излучения большинства галактик смещены к длинноволновому (красному) краю. В то время космологических теорий, которые могли бы объяснить этот феномен, еще не было, как не существовало и общей теории относительности. Слайфер истолковал свои наблюдения, опираясь на эффект Доплера. Получилось, что галактики удаляются от нас, причем с довольно большими скоростями.

Позже Эдвин Хаббл обнаружил, что чем дальше галактика находится от нас, тем больше наблюдаемый сдвиг спектральных линий в красную сторону (то есть красное смещение) и, следовательно, с тем большей скоростью она улетает от Земли. Сейчас данные по красному смещению получены для десятков тысяч галактик, и почти все они удаляются от нас. Причем скорость разбегания оказалась пропорциональна расстоянию от Земли (закон расширения Хаббла). Разлетающиеся скопления галактик, ближайшие от нас звезды и галактики связаны друг с другом гравитационными силами и образуют устойчивые структуры. Причем скопления галактик разбегаются от Земли с одинаковой скоростью, в каком бы направлении мы не посмотрели, и может показаться, что наша Галактика является центром Вселенной, однако это не так. Где бы ни находился наблюдатель, он будет везде видеть все ту же картину - все галактики разбегаются от него.

 Именно это открытие и позволило ученым заговорить о расширении Вселенной и о нестационарности нашего мира.

Определение расстояний до галактик и положение их на небе позволило ученым сделать еще один вывод. Оказалось, что большинство галактик входит в группировки, которые насчитывают от нескольких галактик (группа галактик) до сотен и тысяч галактик (скопление галактик) и даже облака скоплений (сверхскопления). Бывают и одиночные галактики, но они встречаются довольно редко (не более 10 %).

Размеры галактик тоже различны. Есть галактики-карлики в несколько десятков световых лет и галактики-великаны с поперечником до 18 млн. световых лет.

Галактика Андромеды в ультрафиолетовых лучах.

Наиболее исследована Местная группа галактик, в которой самыми яркими являются наша Галактика и туманность Андромеды. В Местной группе поперечником около одного мегапарсека, находятся около 30 галактик. Они сосредоточенны в области космоса диаметром примерно около 8 млн. световых лет.

Это не случайная выборка объектов, просто оказавшихся по соседству.

Галактики Местной группы связанны между собой силами притяжения и образуют скопление – точно так же, как звезды Плеяд образуют звездное скопление.

В Местной группе доминируют две большие галактики – Млечный Путь и туманность Андромеды. Каждая из них притягивает к себе галактики, меньшие по габаритам. Вокруг туманности Андромеды сосредоточены М 32, NGC 147, NGC 185, NGC 205 и четыре карликовые системы. В этом же районе находится третья по размерам галактика нашей Местной группы – Колесо со спицами. Спутники Млечного Пути – Большое и Малое Магеллановы Облака и несколько карликовых галактик. Остальные члены Местной группы как бы независимы.

Астрономы обнаружили в ней три спиральные галактики, четыре эллиптические, 14 неправильных и около 14 эллиптических неправильных. Неясно, является ли доля маленьких галактик в Местной группе типичной для Вселенной в целом.

Известно еще несколько скоплений галактик. Каждое из них удерживается силами притяжения в виде обособленной группы. Самое крупное скопление по соседству с нами в созвездии Девы. Вместе с нашей Местной группой и другими скоплениями оно составляет Местное Сверхскопление диаметром 60 млн. световых лет.

Очень многообразны и формы галактик. Типология форм галактик, разработанная Э.Хабблом, в основном сохранилась до настоящего времени, хотя за прошедшие десятилетия были обнаружены и новые типы галактик. Галактики по строению обычно делят на три типа:

Спиралевидные галактики обычно имеют форму диска с явно выраженной спиралевидной структурой, почему и получили своё название. У таких галактик можно выделить центр, рукава и гало. Центр - это массивное и плотное скопление звёзд, обычно молодых, и межзвёздного вещества. Предположительно, в центрах спиралевидных галактик могут находиться чёрные дыры. Рукава - звёздные образования в галактическом диске, имеющие форму расходящихся от центра спиралей. Их возникновение обусловлено вращением галактики. Большинство звёзд вне центра галактики находятся именно в рукавах. Гало - звёзды, находящиеся вне галактического диска, но, тем не менее, причисляемые к данной галактике.

Эллиптические галактики наиболее часто встречаются в плотных скоплениях галактик. Они имеют форму эллипсоида, чаще всего шара. Наибольшие из известных галактик - именно шаровые. Скорость их вращения обычно значительно меньше, чем у спиралевидных, и диск просто не формируется. Такие галактики обычно насыщены Шаровыми скоплениями.

Галактики неправильной формы обычно имеют слишком малую массу, чтобы иметь чёткую структуру, либо находятся под воздействием более крупных объектов. Яркость и светимость их невелики. В них обычно очень мало шаровых скоплений. Типичными примерами таких галактик являются спутники Млечного Пути - Большое и Малое Магеллановы Облака. К неправильным галактикам относят и взаимодействующие галактики.

Форма и структура галактик связанны с их основными физическими характеристиками: размером, массой, светимостью. И по этим характеристикам мир галактик оказался поразительно разнообразным.

В центрах галактик обычно сосредоточено огромное количество вещества (до 10 % всей ее массы). У некоторых галактик есть маленький центр, излучающий огромное количество энергии. Они называются галактиками с активными ядрами. Ядро содержит небольшой, но очень массивный объект, скорее всего черную дыру, которая такая плотная, что создает колоссальное притяжение и поглощает все, что окажется рядом, - даже свет.

Обнаружено несколько типов галактик с активными ядрами, содержащими черные дыры. Их активность зависит от степени сжатия газа вокруг дыры, оценивать которую следует с учетом того, наблюдаем ли мы диск сбоку или сверху. Активные ядра галактик выделяют огромное количество энергии из очень маленького пространства. В ядре, по мнению ученых, черная дыра «пожирает» газовый диск. Затягиваясь в нее, вещество разогревается и становится мощным излучателем энергии. Иногда газа вокруг черной дыры столько, что выделяющаяся энергия отбрасывает часть его обратно в космос, и образуются раскаленные струи длиной в тысячи световых лет.

Астрофизики считают черные дыры очень странными небесными объектами, внутри которых замедляется время, сворачивается пространство. И все же во Вселенной их миллионы, некоторые диаметром всего в несколько километров, некоторые размером с Солнечную систему. И хотя способность удерживать внутри себя всякое излучение относится к главным особенностям черных дыр, астрономы обнаруживают их по чрезвычайно ярким вспышкам, возникающим в окрестности дыры, когда она «проглатывает» неосторожно приблизившуюся к ней звезду или галактические газы. Вспышки гамма-лучей, взрывы с выделением колоссального количества энергии, происходящие во время взрыва звезды и превращения ее в черную дыру, также фиксируются приборами.

Так анонимный художник Европейского космического агентства (ESA) изобразил момент «проглатывания» черной дырой (справа) оказавшейся поблизости звезды (слева). Прежде чем газ упадет на поверхность дыры, он закрутится вокруг нее со скоростью близкой к световой. Именно из этого хоровода вырывается мощный поток рентгеновского излучения.

По нашим человеческим меркам галактики невообразимо огромны, но в космологических масштабах они ничтожно малы. Космология рассматривает поведение Вселенной лишь в масштабах такого или более высокого порядков. Процессы, происходящие в отдельных галактиках, редко становятся существенными в космологии.