Звездное небо издревле притягивало взгляды людей. Лучшие умы всех народов пытались осмыслить наше место во Вселенной, вообразить и обосновать ее устройство. Научный прогресс позволил перейти в деле изучения бескрайних просторов космоса от романтических и религиозных построений к логически выверенным теориям, базирующимся на многочисленном фактическом материале. Теперь любой школьник имеет представление о том, как выглядит наша Галактика согласно последним исследованиям, кто, почему и когда дал ей столь поэтичное название и каково ее предполагаемое будущее.
Происхождение названия
Выражение «галактика Млечный Путь», по сути, тавтология. Galactikos в примерном переводе с древнегреческого означает «молочный». Так жители Пелопоннеса звали скопление звезд в ночном небе, приписывая его происхождение вспыльчивой Гере: богиня не пожелала кормить Геракла, внебрачного сына Зевса, и в гневе разбрызгала грудное молоко. Капли и образовали звездную дорожку, видную в ясные ночи. Спустя столетия ученые открыли, что наблюдаемые светила — лишь ничтожная часть существующих небесных тел. Пространству Вселенной, в котором находится и наша планета, они дали название Галактика или система Млечный Путь. После подтверждения предположения о существовании и других схожих формирований в космосе первый термин стал для них универсальным.
Взгляд изнутри
Научные познания о структуре части Вселенной, включающей Солнечную систему, мало что взяли у древних греков. Понимание того, как выглядит наша Галактика, прошло эволюцию от сферического мироздания Аристотеля до современных теорий, в которых есть место черным дырам и темной материи.
Тот факт, что Земля — элемент системы Млечный Путь, накладывает определенные ограничения на тех, кто пытается выяснить, какую форму имеет наша Галактика. Для однозначного ответа на этот вопрос необходим взгляд со стороны, причем на большом расстоянии от объекта наблюдения. Сейчас наука лишена такой возможности. Своеобразным заменителем стороннего наблюдателя становится сбор данных о структуре Галактики и соотнесение их с параметрами других космических систем, доступных для изучения.
Собранные сведения позволяют с уверенностью говорить, что наша Галактика имеет форму диска с утолщением (балджем) в середине и расходящимися от центра спиральными рукавами. Последние содержат наиболее яркие звезды системы. Диаметр диска составляет более 100 тысяч световых лет.
Структура
Центр Галактики скрыт межзвездной пылью, затрудняющей изучение системы. Справиться с проблемой помогают методы радиоастрономии. Волны определенной длины легко преодолевают любые препятствия и позволяют получить столь желанное изображение. Наша Галактика, по полученным данным, имеет неоднородную структуру.
Условно можно выделить два связанных друг с другом элемента: гало и собственно диск. Первая подсистема обладает следующими характеристиками:
- по форме это сфера;
- центром ее считается балдж;
- наибольшая концентрация звезд в гало характерна для его срединной части, с приближением к краям плотность сильно уменьшается;
- вращение этой зоны галактики довольно медленное;
- в гало в основном встречаются старые звезды с относительно небольшой массой;
- значительное пространство подсистемы заполнено темной материей.
Галактический диск по плотности звезд сильно превышает гало. В рукавах встречаются молодые и даже только формирующиеся
Центр и ядро
«Сердце» Млечного Пути находится в Без его изучения тяжело понять до конца, какова наша Галактика. Название «ядро» в научных трудах либо относится только к центральной области диаметром всего несколько парсек, либо включает в себя балдж и газовое кольцо, считающееся местом зарождения звезд. Далее будет использоваться первый вариант термина.
В центр Млечного Пути с трудом проникает видимый свет: он сталкивается с большим количеством космической пыли, скрывающей то, как выглядит наша Галактика. Фото и изображения, сделанные в инфракрасном диапазоне, значительно расширяют познания астрономов о ядре.
Данные об особенностях излучения в центральной части Галактики натолкнули ученых на мысль, что в сердцевине ядра находится черная дыра. Ее масса более чем в 2,5 млн раз больше массы Солнца. Вокруг этого объекта, по мнению исследователей, вращается еще одна, но менее внушительная по своим параметрам, черная дыра. Современные знания об особенностях структуры космоса позволяют предположить, что подобные объекты находятся в центральной части большинства галактик.
Свет и тьма
Совместное влияние черных дыр на движение звезд вносит свои коррективы в то, как выглядит наша Галактика: оно приводит к специфическим изменениям орбит, нехарактерным для космических тел, например, вблизи Солнечной системы. Изучение этих траекторий и соотношения скоростей движения с удаленностью от центра Галактики легло в основу активно развивающейся сейчас теории о темной материи. Природа ее пока покрыта тайной. Присутствие темной материи, предположительно составляющей подавляющую часть всего вещества во Вселенной, регистрируется лишь по воздействию гравитации как раз на орбиты.
Если рассеять всю космическую пыль, что скрывает от нас ядро, взору откроется поразительна картина. Несмотря на концентрацию темной материи, эта часть Вселенной полна света, излучаемого огромным количеством звезд. На одну единицу пространства их здесь в сотни раз больше, чем вблизи Солнца. Примерно десять миллиардов из них образуют галактический бар, также называемый перемычкой, не совсем обычной формы.
Космический орешек
Изучение центра системы в длинноволновом диапазоне позволило получить подробное инфракрасное изображение. Наша Галактика, как оказалось, в ядре имеет структуру, напоминающую арахис в скорлупе. Этот «орешек» и есть перемычка, включающая в себя более 20 млн красных гигантов (ярких, но менее горячих звезд).
От концов бара расходятся спиральные рукава Млечного Пути.
Работа, связанная с обнаружением «арахиса» в центре звездной системы, не только пролила свет на то, какая наша Галактика по структуре, но и помогла понять, как она развивалась. Изначально в пространстве космоса существовал обычный диск, в котором со временем образовалась перемычка. Под влиянием внутренних процессов бар изменил свою форму и стал походить на орех.
Наш дом на космической карте
Активное происходит как в перемычке, так и в спиральных рукавах, которыми обладает наша Галактика. Название им дали по созвездиям, где были обнаружены участки ответвлений: рукава Персея, Лебедя, Центавра, Стрельца и Ориона. Вблизи последнего (на расстоянии не менее 28 тысяч световых лет от ядра) и находится Солнечная система. Эта область обладает определенными характеристиками, по мнению специалистов, сделавшими возможным возникновение жизни на Земле.
Галактика и наша Солнечная система вместе с ней вращаются. Закономерности движения отдельных составляющих при этом не совпадают. звезд временами то входит в состав спиральных ответвлений, то отделяется от них. Лишь светила, лежащие на границе коротационной окружности, не совершают подобные «путешествия». К ним относится и Солнце, защищенное от мощных процессов, постоянно протекающих в рукавах. Даже незначительное смещение свело бы на нет все остальные преимущества для развития организмов на нашей планете.
Небо в алмазах
Солнце - лишь одно из многих подобных тел, которыми полна наша Галактика. Звезды, одиночные или сгруппированные, общим числом превышают по последним данным 400 млрд. Ближайшая к нам Проксима Центавра входит в систему из трех звезд вместе с чуть более удаленными Альфой Центавра A и Альфой Центавра B. Самая яркая точка ночного неба, Сириус A, находится в Ее светимость по разным данным превышает солнечную в 17-23 раза. Сириус также не одинок, его сопровождает спутник, носящий аналогичное название, но с маркировкой B.
Дети часто начинают знакомиться с тем, как выглядит наша Галактика, с поиска на небе Полярной звезды или Альфы Малой Медведицы. Популярностью своей она обязана положению над Северным полюсом Земли. По светимости Полярная значительно превышает Сириус (почти в две тысячи раз ярче Солнца), но она не может оспаривать права Альфы Большого Пса на звание самой яркой из-за удаленности от Земли (по оценкам от 300 до 465 световых лет).
Типы светил
Звезды отличаются не только светимостью и удаленностью от наблюдателя. Каждой приписывается определенная величина (за единицу берется соответствующий параметр Солнца), степень нагрева поверхности, цвет.
Наиболее внушительными размерами обладают сверхгиганты. Самой большой концентрацией вещества в единице объема отличаются нейтронные звезды. Цветовая характеристика неразрывно связана с температурой:
- красные самые холодные;
- нагрев поверхности до 6 000º, как у Солнца, порождает желтый оттенок;
- белые и голубые светила обладают температурой более 10 000º.
Может меняться и достигать максимума незадолго до ее коллапса. Взрывы сверхновых вносят огромный вклад в понимание, как выглядит наша Галактика. Фото этого процесса, полученные телескопами, поражают.
Собранные на их основе данные помогли восстановить процесс, приведший к вспышке, и спрогнозировать судьбу ряда космических тел.
Будущее Млечного Пути
Наша Галактика и другие галактики постоянно находятся в движении и взаимодействуют. Астрономы установили, что Млечный Путь неоднократно поглощал соседей. Подобные процессы ожидаются и в будущем. Со временем в него войдут Магелланово Облако и еще ряд карликовых систем. Самое же внушительное событие ожидается через 3-5 млрд лет. Это будет столкновение с единственным соседом, который виден с Земли невооруженным глазом. В результате Млечный Путь станет эллиптической галактикой.
Бескрайние просторы космоса поражают воображение. Обывателю трудно осознать масштабность не только Млечного Пути или всей Вселенной, но даже Земли. Однако благодаря достижениям науки мы можем представить себе хотя бы приблизительно, частью какого грандиозного мира являемся.
Это компонент структуры линзовидных и спиральных галактик. Галактика Скульптор (NGC 253) является примером галактики, имеющей диск. Галактический диск представляет собой плоскость, в которой находятся спирали, рукава и перемычки. В галактическом… … Википедия
Галактика M106. Рукава легко различимы в общей структуре. Галактический рукав структурный элемент спиральной галактики. В рукавах содержится значительная часть пыли и газа, также множество звёздных скоплений. Вещество в них вращается вокруг… … Википедия
Запрос «Рукав Ориона» перенаправляется сюда; см. также другие значения. Структура Млечного пути. Расположение Солн … Википедия
В Викисловаре есть статья «рукав» Рукав: Рукав (деталь одежды) Речной рукав ответвление реки от основного русла … Википедия
Изображение, размером 400 на 900 световых лет, составленное из нескольких фотографий телескопа «Чандра», с сотнями … Википедия
Структура Млечного пути. Расположение Солнечной системы обозначено большой жёлтой точкой … Википедия
Ответственной за образование спиральных рукавов нашей галактики может быть карликовая эллиптическая галактика в созвездии Стрельца . К такому выводу пришли ученые из Университета Питтсбурга . Их работа опубликована в последнем номере журнала Nature .
Руководил группой Кристофер Персел . Их численное моделирование стало первым, предложившим такой сценарий образования спиральных рукавов. «Оно дает нам новый и довольно-таки неожиданный взгляд на причину того, что наша галактика выглядит так, как выглядит», - говорит Персел.
«Говоря космологически, наши расчеты показывают, что относительно небольшие столкновения вроде этого могут привести к серьезным последствиям в формировании галактик во всей Вселенной, - добавляет он. - Такая идея ранее высказывалась теоретически, но пока что не была реализована».
Большую часть группы ученых составляют сотрудники Университета Калифорнии в Ирвине, в котором расположен Астрокомьютерный центр. К сожалению, в области космологии численное моделирование при помощи суперкомпьютеров - единственный метод исследования. Изучаемые явления и объекты настолько велики и сложны, что нет смысла говорить не то что об аналитических, но даже о численных на обычных машинах методах. При помощи суперкомпьютеров астрономы имеют возможность воссоздать хотя бы в малом масштабе космологические явления, происходящие на протяжении миллиардов лет и изучить эти явления в ускоренном режиме их воспроизведения. На основе такого моделирования делаются предположения, которые затем проверяются при помощи настоящих наблюдений.
Кроме заключения о столкновении, численное моделирование Персела выявило интересную особенность звезд карликовой галактики. Все они оказались окружены темной материей , масса которой примерно равна массе всех звезд нашей галактики.
Давно известно, что реальная материя составляет менее 5% Вселенной, тогда как темная материя составляет примерно четверть. Ее существование обнаруживается только по гравитационному взаимодействию. Теперь можно утверждать, что все галактики, включая Млечный путь и карликовую галактику (до столкновения) окружены темной материей, и область пространства с ней в несколько раз больше галактики по размеру и массе.
«Когда вся эта темная материя ударилась в Млечный путь, от 80 до 90 процентов ее отразилось», - говорит Персел. Это первое столкновение, имевшее место около двух миллиардов лет назад, привело к неустойчивостям в структуре нашей галактики, которые затем были увеличены, что и привело, в конце концов, к спиральным рукавам и кольцеобразным формированиям.
Персел в своей диссертации сконцентрировался еще на одном вопросе: к чему привели повторные столкновения карликовой галактикой?
В течение последних нескольких десятков лет было принято считать, что Млечный путь не подвергался возмущениям на протяжении последних нескольких миллиардов лет. Спиральные рукава в этом свете представали как логичный результат изолированной эволюции галактики.
С того момента, когда в созвездии Стрельца была открыта карликовая эллиптическая галактика - спутник Млечного пути, астрономы начали исследование ее обломков. В 2003 году суперкомпьютерные расчеты траектории движения галактики показали, что она ранее сталкивалась с Млечным путем. Первый раз это случилось 1.9 миллиарда лет назад, второй раз - 0.9 миллиарда лет назад.
«Но что при этом произошло с Млечным путем, в моделировании не воспроизводилось, - говорит Персел. - Наш расчет был первым, в котором была предпринята такая попытка».
Ученые обнаружили, что столкновение приводит к неустойчивости - флуктуации в звездной плотности - в диске вращающегося Млечного пути. Внутренние области нашей галактики вращаются быстрее, чем внешние, эта неустойчивость была усилена, в результате чего образовались спиральные рукава.
Кроме того, при моделировании выяснилось, что благодаря столкновению на краях нашей галактики образовались кольцевые структуры.
Второе столкновение имело меньшие последствия. Из-за него также возникли волны, приводящие к образованию спиральных рукавов, но они были намного менее интенсивны, так как при первом столкновении карликовая галактика потеряла большую часть темной материи. Без темной материи, выступавшей в качестве контейнера для галактики, ее звезды начали рассыпаться в стороны под воздействием гравитационного поля Млечного пути.
«Галактики вроде Млечного пути находятся пол постоянной бомбардировкой карликовых галактик. Но до нашего исследования не предполагалось, насколько важными могут быть последствия таких столкновений, - говорит Персел. - Мы планируем найти и другие результаты столкновения, например, свечение во внешних областях диска нашей галактики. Мы ожидали увидеть изменения в Млечном пути в результате столкновения, но не ожидали, что оно привело к образованию спиральных рукавов. Этого мы не предвидели».
Это было настолько неожиданно, что ученые на несколько месяцев задержали публикацию своего открытия чтобы лишний раз все проверить. «Нам надо было убедить самих себя, что мы в здравом уме», - добавляет Персел.
В настоящее время потоки звезд, некогда принадлежавших карликовой галактике, кружатся около Млечного пути. Однако, она развалилась не полностью, и через несколько миллионов лет начнется новое столкновение. «Мы можем понять это, наблюдая за центром Млечного пути. На обратной от нас стороне звезды падают на диск галактики снизу. Мы можем измерить скорость этих звезд и можем сказать, что скоро карликовая галактика снова удариться в диск, всего через 10 миллионов лет».
Астрономы спорят, сколько спиральных рукавов экспонирует наша галактика – два или четыре. Они часто склоняются к варианту, предполагающему четыре ветви, но сравнительно недавние наблюдения с телескопа НАСА «Спитцер» предлагают другой вариант, что наша галактика двухрукавная. В 2013 году астрономы картографировали области звездообразования и утверждали, что они нашли две недостающие руки, в результате чего общее число рукавов вернулось обратно к четырем.
Со временем доказательства четырех рукавов Млечного Пути стали только сильнее. Команда бразильских астрономов использовала звездные скопления, внедренные в их натальные облака, чтобы проследить структуру галактики. «Наши результаты поддерживают версию четырех спиральных рукавов галактики, включающих рукава Стрельца, Персея и внешние рукава», заметила группа из Федерального университета Риу-Гранди-ду-Сул.
«Несмотря на усилия, направленные на улучшение нашего понимания структуры галактики, вопросы остаются. Нет единого мнения по поводу количества и формы спиральных рукавов галактики», отметил ведущий автор Д. Камарго (D. Camargo). Он добавил, что расположение Солнца в затемненном галактическом диске было основным фактором, препятствующим нашему пониманию широкой структуры Млечного Пути. Другими словами, мы не достигаем высоты птичьего полета нашей Галактики.
Команда заметила, что молодые внедренные кластеры являются отличными трейсерами структуры галактики. «Настоящие результаты показывают, что внедренные кластеры галактики находятся преимущественно в спиральных рукавах». Они отметили, что формирование звезд может произойти после распада и фрагментации гигантских молекулярных облаков, найденных в спиральных рукавах и, следовательно, молодые внедренные звездные скопления, появляющиеся впоследствии, становятся отличными зондами галактической структуры, поскольку они не перемещаются далеко от места своего рождения.
Команда использовала данные инфракрасного телескопа НАСА WISE, чтобы определить молодые кластеры, еще внедренные в их натальных облака, часто охваченные значительным количеством пыли. Инфракрасный звездный свет меньше затемняется пылью, чем видимый свет, давая астрономам беспрецедентный вид. В самом деле, группа обнаружила 7 новых внедренных кластеров, некоторые из которых (названные Camargo 441-444) могут принадлежать к большей совокупности, находящейся в рукаве Персея. Они предположили, что гигантское молекулярное облако сжимается спиральным рукавом, что, возможно, вызвало образование звезд в нескольких сгустках, и появление многочисленных звездных скоплений с аналогичным возрастом.
«Встроенные кластеры в данной выборке распределены вдоль рукавов Стрельца, Персея и внешних рукавов», заключила команда. Она также отметила, что поиск новых внедренных кластеров по всей галактике не должен останавливаться, так как такие показатели могут способствовать нашему пониманию структуры галактики.
Предвзятый и скрупулезный анализ влияния кривой вращения галактики Млечный Путь на форму её рукавов, приводит к неожиданным выводам. Если бы галактика двигалась с такой кривой вращения, то всего два оборота назад - около 600 млн. лет - её рукава были «закручены» в обратную сторону. И, напротив, в течение следующих нескольких оборотов она должна полностью лишиться рукавов, которые туго свернутся, равномерно заполняя весь её диск. Учитывая, что возраст галактики предполагается порядка десятка миллиардов лет, её прошлое выглядит ещё более загадочно - возникновение рукавов невозможно объяснить по чисто кинематическим противоречиям.
Выходит, что гипотез а о темной материи не только не устраняет противоречий самой наблюдаемой кривой вращения нашей галактики, но, напротив, создаёт новые.
Возможно, наблюдаемая, вычисленная кривая вращения галактики нестабильна и не отражает длительной эволюции Млечного Пути. Измеренные скорости звёзд соответствуют текущему моменту времени и, видимо, мало что говорят о своих прошлых или будущих значениях. Возможно, говорить о динамике их движения можно лишь с определённой степенью надежности. А иначе, законы механики дают этот закономерный логический результат.
Логично допустить, что возможна иная долговременная форма кривой вращения, которая за многие миллиарды лет позволила принять рукавам Млечного Пути ту форму, какую стало возможным ныне вычислить по астрономическим наблюдениям. Но в этом случае возникает закономерный вопрос: а какой была галактика «в начале пути»? И «когда оно началось, это начало»?
Выдвинем предположение, что галактика образовалась ну, скажем, 3 млрд. лет назад. Этот срок взят из утилитарных соображений: чтобы было проще просматривать эволюцию на анимации. А возникнуть рукава могли, например, в результате коллапса двух черных дыр, которые выбросили в разных направлениях свои джеты. Вращаясь, эти джеты, скажем так, «подметали» окружающее пространство, собирая в себя газ и звёзды. Постепенно рукава закрутились в нынешнюю форму. Почему черных дыр две? Потому что рукавов четыре, а джеты образуются парами.