Галактика

Основной источник статьи: Большая российская энциклопедия

ГАЛА́КТИКА, Млечный Путь (от греч. γαλαϰτιϰός – молочный, млечный) – огромная звёздная система, в которую входит звезда – Солнце. Наша Галактика – одна из триллионов таких систем (галактик) во Вселенной. Общее число звёзд в Галактике не менее 100 млрд.; большинство звёзд, включая Солнце, находятся в дискообразной системе, видимой на небе как светлая полоса Млечного Пути. В состав Галактики входят также десятки тысяч звёздных скоплений и множество облаков межзвёздного вещества, содержащих в основном водород и гелий. Есть данные, что, кроме обычного вещества, в Галактике в огромном количестве имеется невидимое вещество неизвестной пока природы, проявляющее себя только гравитационным притяжением; оно распределено главным образом на далёкой периферии Галактики. Солнце находится на расстоянии около 8 кпк (26 тыс. световых лет) от центра Галактики и обращается вокруг него с периодом около 230 млн. лет. Строение, кинематику и динамику Галактики изучает звёздная астрономия.

а – спиральная галактика NGC 4594 (Сомбреро); б – Млечный Путь в инфракрасном (вверху) и оптическом (внизу) диапазонах (изображение охватывает всё небо, центр Галактики в середине).

Открытие Галактики

Первые телескопические наблюдения, проведённые Г. Галилеем (1610), показали, что Млечный Путь представляет собой множество слабых звёзд. Впервые попытку изучить строение системы Млечного Пути предпринял в конце 18 в. У. Гершель, который установил, что пространственная плотность звёзд убывает с расстоянием от плоскости Млечного Пути и от Солнца. Согласно Я. Каптейну (1922), звёздная система имеет форму двояковыпуклой линзы диаметром около 20 кпк, на расстоянии всего 650 пк от её центра находится Солнце. Кажущееся увеличение плотности звёзд к Солнцу объясняется неизвестным до 1930-х гг. поглощением света в пространстве.

В 1919 Х. Шепли пришёл к выводу, что находящийся в направлении созвездия Стрельца центр сфероидальной системы шаровых звёздных скоплений является одновременно и центром дискообразной звёздной системы. Определив с помощью звёзд с известной светимостью положение в пространстве около 70 шаровых скоплений, Шепли установил, что расстояние от Солнца до центра, лежащего в созвездии Стрельца, составляет 50 тыс. световых лет, а вся система Млечного Пути простирается на 300 тыс. световых лет.

Таким образом, в начале 1920-х гг. существовали две системы мироздания: по Шепли, Солнце находится на окраине звёздной системы, а в мире Каптейна, который был намного меньше, Солнце располагалось вблизи центра. Однако обе эти системы не отвечали на вопрос, что же находится за пределами Млечного Пути, хотя ещё в 18 в. высказывалось предположение, что многочисленные «слабые туманности» являются огромными звёздными системами, сравнимыми с нашей. В начале 20 века было уже практически установлено, что самая яркая туманность – М31 в созвездии Андромеды – состоит из звёзд. Однако до 1925 большинство астрономов полагало, что звёздная система Млечного Пути есть вся Вселенная.

Проблема была окончательно решена в 1925, когда Э. П. Хаббл опубликовал результаты изучения в М31 переменных звёзд – цефеид. Из зависимости «период – светимость» для этих звёзд было определено расстояние до «туманности» – около 1 млн. световых лет. Стало очевидным, что и М31, и система Млечного Пути, и бесчисленные «слабые туманности» являются огромными звёздными системами – галактиками. Открытие населённой галактиками Вселенной стало и открытием нашей Галактики как одной из множества подобных систем. Появилась возможность сравнивать нашу звёздную систему с др. галактиками и, наоборот, опираться при их изучении на знания о нашей Галактике.

Подсистемы Галактики

В Галактике можно выделить центральное вздутие (балдж, утолщение), протяжённую дискообразную подсистему и окружающую их галактическую корону (гало) – эллипсоидальную подсистему, объекты которой концентрируются к центру. Эти главные составляющие Галактики хорошо видны на фотографиях спиральных галактик, наблюдаемых почти «с ребра». Диск и балдж Галактики можно непосредственно увидеть на изображениях Млечного Пути в ИК-лучах.

Подсистемы Галактики образованы звёздами разного возраста и химического состава. Как и во всех спиральных галактиках, в ней имеются два основных типа звёздного населения. К населению I относятся Солнце, рассеянные звёздные скопления, звёзды спектральных классов О и В, звёзды-сверхгиганты, в том числе цефеиды, а также облака газа и пыли; все они концентрируются к плоскости Галактики. Атомарный водород прослеживается до расстояний около 17 кпк от центра, на краях Галактики его слой отклоняется до 1 кпк от экваториальной плоскости. Примерно до таких же расстояний простирается и плоская система молодых звёзд, толщина которой, как и газа, около 100 пк. Объекты населения II (шаровые скопления, планетарные туманности, звёзды типа RR Лиры, некоторые типы звёзд-гигантов и др.) концентрируются к центру Галактики, образуя обширное эллипсоидальное гало. Сфероидальная система населения II состоит только из старых звёзд (возраст всех шаровых скоплений Галактики примерно одинаков – 12–13 млрд. лет). Самые далёкие шаровые скопления находятся на расстояниях около 100 кпк.

В плоской подсистеме концентрируется газ, обогащённый тяжёлыми элементами (к ним в астрофизике относят все химические элементы тяжелее гелия), возникающими в недрах звёзд при ядерных реакциях. На конечных стадиях эволюции звёзд, в основном при взрывах сверхновых, тяжёлые элементы поступают в межзвёздную среду. Образование звёзд из этого обогащённого газа в диске Галактики продолжается и ныне. Химический состав звёзд населения I в среднем близок к солнечному, а у звёзд населения II тяжёлых элементов в 10–100 раз меньше.

Вращение Галактики

Наблюдаемая по областям ионизованного водорода HII кривая вращения Галактики (верхняя сплошная кривая) и кривые вращения отдельных составляющих Галактики: балджа (пунктир), звёздного диска (зачернённые кружки), слоя атомарного водорода HI (крестики), слоя молекулярного водорода Н₂ (открытые кружки) и гало из ненаблюдаемого тёмного вещества (штриховая линия).

В 1926 Б. Линдблад пришёл к выводу, что большинство звёзд в окрестностях Солнца и оно само, а также рассеянные звёздные скопления входят в плоскую систему, члены которой находятся в быстром, почти круговом вращении вокруг центра Галактики. Шаровые скопления, образующие сфероидальную систему, вращаются вокруг центра Галактики медленно; они двигаются в разных направлениях по вытянутым орбитам.

В 1927 Я. Х. Оорт рассмотрел влияние вращения Галактики на собственные движения и лучевые скорости звёзд. В случае нетвердотельного (дифференциального) вращения, которое вытекает из законов Кеплера, справедливых при увеличении концентрации массы к центру вращения, зависимость лучевых скоростей от направления (от галактической долготы) должна иметь вид двойной волны – кривой с двумя максимумами и двумя минимумами, которая представляется формулой: V_r=Arsin2l, где r – расстояние от звезды до Солнца, l – галактическая долгота, отсчитываемая от направления на центр Галактики, коэффициент A, называемый постоянной Оорта, характеризует степень отклонения вращения от твердотельного. По лучевым скоростям звёзд классов O и B и цефеид Оорт определил параметры двойной волны и доказал, что звёзды Галактики обращаются вокруг центра, который лежит в направлении на созвездие Стрельца.

Зависимость скорости вращения V различных объектов Галактики от расстояния R до центра Галактики изображена на так называемой кривой вращения Галактики; по ней можно определить массу её отдельных составляющих. В самых внутренних областях вращение близко к твердотельному, затем скорость чуть убывает. На больших расстояниях от центра Галактики, за пределом её плотного диска, где в основном сосредоточены звёзды и газ, скорость вращения на протяжении многих десятков парсек остаётся примерно постоянной. Наблюдательные данные свидетельствуют, что подобная кривая вращения характерна и для большинства других галактик. Общепринятое объяснение этого факта состоит в том, что, кроме видимого гало из объектов населения II, галактики окружены намного более обширным гало из гравитирующей, но ненаблюдаемой материи (так называемое тёмное гало). В Галактике масса тёмного гало оценивается в 10¹¹–10¹² масс Солнца, что на порядок больше, чем масса звёзд (около 5·10¹⁰), и на два порядка больше, чем масса газа (5–10·10⁹). Проблема природы этой «тёмной материи» – одна из важнейших нерешённых проблем астрофизики.

Спиральная структура Галактики

Схема спиральных рукавов и бара Галактики (по данным Ж. Валле), к которой добавлены положения цефеид (по данным Л. Н. Бердникова). Галактика вращается по часовой стрелке, рукава «закручиваются». Позиция Солнца отмечена крестиком.

Наличие полосы Млечного Пути свидетельствует о том, что наша система относится к дискообразным; она не может относиться к неправильным галактикам, так как их массы невелики, а объекты населения II в них представлены слабо. Вывод о наличии в Галактике спиральных рукавов неизбежен, но их расположение, длина и даже их число остаются предметом дискуссий. По всей видимости, спиральный узор Галактики относится к типу grand design. Так называют спиральные рукава, тянущиеся на десятки килопарсек от центра галактики и симметричные относительно поворота вокруг него. Это волны повышенной плотности облаков газа и звёзд, распространяющиеся благодаря гравитационному взаимодействию вещества. Причиной возникновения этих волн считают наличие спутника или отклонения центральной области галактики от осевой симметрии – эта область имеет форму либо овала, либо перемычки (бара), соединяющей исходные точки рукавов. Наличие в Галактике короткого (оканчивающегося на расстоянии около 3–4 кпк от центра) бара следует из данных о кинематике газа вблизи центра, а также из особенностей интегрального свечения звёзд в инфракрасном диапазоне. (К типу grand design относится меньшая часть спиральных галактик; чаще наблюдаются лишь короткие обрывки рукавов.)

Повышенная плотность газа приводит к высокому темпу звездообразования в спиральной волне. Звёздные ассоциации и скопления с возрастом менее 30 млн. лет концентрируются в трёх отрезках спиральных рукавов; им были даны названия рукавов Персея, Ориона – Лебедя и Стрельца – Киля. Последний выделяется и как область повышенной плотности цефеид, возраст которых, как и светимость, зависит от периода и составляет 30–100 млн. лет. Согласно теоретическим представлениям, в волновых спиральных рукавах должны присутствовать и такие довольно старые звёзды – их притягивает туда повышенный в рукаве гравитационный потенциал. Лишь у звёзд с возрастом, превышающим сотни миллионов лет, случайные скорости (растущие с возрастом) столь высоки, что они, пересекая рукав, практически не замедляют своего движения вокруг центра.

Данные о молодых звёздах и скоплениях являются неполными уже для расстояний, превышающих 3–4 кпк. Для изучения спиральной структуры всей Галактики используются наблюдения нейтрального водорода HI (на длине волны 21 см). Сверхгигантские (массой до 10⁷ масс Солнца) облака атомарного водорода HI и молекулярного водорода H₂ обрисовывают ветвь Киля, простирающуюся на 40 кпк с углом закручивания в 10–12°. В рукаве Киля наблюдаются регулярные промежутки между газово-звёздными комплексами, что характерно для галактик, обладающих правильным симметричным спиральным узором; о наличии его в Галактике говорит и само существование столь длинного рукава. Всё это подтверждает классификацию Галактики как системы типа grand design, что согласуется с наличием у неё бара (перемычки) и близких спутников (ближайшие из крупных спутников – Большое и Малое Магеллановы Облака).

Согласно сводным данным канадского астронома Ж. Валле (2005), Галактика обладает четырьмя спиральными рукавами с углом закручивания около 12°. Однако идеально правильная спиральная структура, подобная изображённой на рисунке, наблюдается редко, обычно одна пара рукавов или один рукав гораздо мощнее и длиннее, чем остальные, поэтому рисунок отражает лишь основные черты спиральной структуры Галактики.

Спиральная галактика М109 (вид с полюса вращения), на которую похожа наша Галактика. Белые овалы – изображения ярких звёзд переднего фона.

Судя по параметрам спиральной структуры, наличию бара и по кривой вращения, наша Галактика похожа на галактику NGC 3992 (M109). Она классифицирована как SBb(rs)I, что означает наличие бара, балджа небольшого размера, сложной системы спиральных рукавов, а также высокой светимости.

Ядро Галактики

Направление на центр вращения Галактики определяется с высокой точностью, но в оптическом диапазоне в этом направлении ничего особенного не наблюдается, поскольку в видимых лучах поглощение света между Солнцем и центром Галактики очень велико. Однако с центром Галактики совпадает западный компонент радиоисточника Стрелец A (Sgr A West), являющийся также компактным источником нетеплового радиоизлучения и инфракрасного излучения. В пределах 100 пк от галактического центра (эту область часто выделяют как ядро Галактики) обнаружено множество признаков продолжающегося образования массивных звёзд: остатки сверхновых, источники инфракрасного излучения, которые могут быть звёздами высокой светимости, окружёнными пылевыми оболочками, гигантские молекулярные облака, а также несколько очень молодых и богатых звёздных скоплений, видимых только в инфракрасных лучах.

В самом центре Галактики находится сверхмассивная чёрная дыра. Измерения собственных движений восьми звёзд высокой светимости, расположенных вблизи Sgr A West, показали, что их траектории являются частями эллипсов, в фокусе которых находится центральный объект, что и позволяет определить его массу по третьему закону Кеплера – она составляет около 3 млн. масс Солнца. Для одной из этих звёзд удалось измерить период её обращения, он составляет всего лишь 15 лет.

Измерение собственных движений и лучевых скоростей звёзд, обращающихся вокруг центральной чёрной дыры, позволит определить расстояние от Солнца до центра Галактики намного точнее, чем классические методы. Предварительные данные дают значение около 7,5 кпк, что с точностью до половины килопарсека совпадает с определённой ранее величиной.

Литература статьи Большой российской энциклопедии

• Зонн В., Рудницкий К. Звездная астрономия. М., 1959.
• Уитни Ч. Открытие нашей Галактики. М., 1975.
• Марочник Л. С., Сучков А. А. Галактика. М., 1984.
• Куликовский П. Г. Звездная астрономия. 2-е изд. М., 1985.
• Ефремов Ю. Н. Очаги звездообразования в галактиках: звездные комплексы и спиральные рукава. М., 1989.
• Ефремов Ю. Н. Звездные острова: Галактика звезд и Вселенная галактик. Фрязино, 2005.
• Vallee J. The spiral arms and interarm separation of the Milky way // Astronomical Journal. 2005. Vol. 130. № 2.