Туманності. Підсистеми Галактики та її спіральна структура

Туманності. Підсистеми Галактики та її спіральна структура. Вчитель: Курчинська Д. В.

Історія. Уявлення про населення Галактики увів 1944 р. німецький астроном В. Бааде (1893-1960). Спочатку воно стосувалося Туманності Андромеди (галактика М31). При її фотографуванні через синій і червоний світлофільтри він виявив, що плоский лінзоподібний диск цієї велетенської галактики занурений у більш розріджену зоряну хмару сферичної форми - гало. Оскільки туманність Андромеди дуже схожа на нашу Галактику, Бааде припустив, що подібну структуру має і Молочний Шлях.

Грунтуючись на результатах своїх підрахунків, Гершель зробив спробу визначити розміри Галактики. Він довів, що наша зоряна система має кінцеві розміри і утворює свого роду товстий диск: у площині Чумацького Шляху вона тягнеться на відстань не більше 850 одиниць, а в перпендикулярному напрямі - на 200 одиниць, якщо прийняти за одиницю відстань до Сіріуса. За сучасною шкалою відстаней це відповідає 7300 х 1700 світлових років.

Галактична туманність — внутрішньогалактична хмара розріджених газів та пилу.r

Різновиди туманностей. Дифузні туманності — величезні за розмірами (10-100 пк), досить щільні (10-100 частинок в 1 см3), неправильної форми. З ними пов'язують утворення зір. Дифузні туманності бувають світлими й темними: Темні — видимі завдяки поглинанню ними світла від більш далеких об'єктів (наприклад, глобули Бока)Світлі — розташовані біля яскравих зір, світло яких відбивають. Комплексні туманності правильної форми утворюються зі скинутих оболонок зір, поділяють на волокнисті й планетарні: Волокнисті туманності — залишки наднових;Планетарні — туманності округлої форми, які мають вигляд слабких кілець або дисків.

Позначення туманностей. Для багатьох туманностей прижилися назви, пов'язані з їхнім виглядом (Котяче Око, Вугільний Мішок), розташуванням на небесній сфері (туманність Кіля, туманність Оріона), ім'ям першовідкривача чи дослідника (змінна туманність Гайнда, змінна туманність Габбла). Часто туманності позначають за номерами в каталогах, насамперед у каталозі Мессьє (M) та Новому загальному каталозі(NGC). Так, туманність Оріона має позначення М42 та NGC 1976. Каталог Мессьє містить 110 яскравих об'єктів, відомих ще в 18 столітті, а Новий загальний каталог — 7840 об'єктів, каталогізованих століттям пізніше. Втім, обидва вони містять не лише галактичні туманності. Існують і спеціалізовані каталоги галактичних туманностей, такі як каталог темних туманностей Барнарда чи каталог яскравих туманностей Ліндса

Наша Галактика структурована як за об’єктами, що до неї належать, так і за своєю будовою. В Галактиці розрізняють гало (корону) ― зовнішню частину, що складається в основному з газу, газових хмар і дуже старих, не яскравих зір. Ці зорі переважно зібрані у кулясті зоряні скупчення. Інші зорі, концентруючись до центра Галактики, утворюють балдж ― своєрідне потовщення навколо ядра Галактики, яке і є центром нашої зоряної системи. В площині, що проходить через ядро Галактики, лежить її диск ― плоске зоряне утворення діаметром 100000 св. р. і товщиною 10000 св. р.    Як  показали дослідження, зорі, що належать до гало (сферична підсистема чи складова) і зорі диска (плоска підсистема) розрізняються  не тільки просторовим розподілом, а головне ― хімічним складом. Зорі гало (їх називають населенням ІІ типу) містять значно менше металів, ніж зорі диска (населення І типу).    Наша  Галактика має дуже добре виражену спіральну структуру. Спіральні  рукави, утворені газом, пилом та молодими зорями, лежать у площині диска  Галактики. В рукавах і у наш  час відбувається активний процес зореутворення. 

Як  показують сучасні дослідження, два види зоряного населення відрізняються  не тільки просторовим положенням, але і характером руху, а також  хімічним складом. Ці особливості пов'язані  в першу чергу з різним походженням  диска і сферичної складової.

Гало. Межі наший Галактики визначаються розмірами гало. Радіус гало значно більше розмірів диска і за деякими даними досягає декількох сотен тисяч світлових років. Центр симетрії гало Чумацького Шляху співпадає з центром галактичного диска. Складається гало в основному з дуже старих, неяскравих мало масивних зірок. Вони зустрічаються як поодинці, так і у вигляді кульових скупчень, які можуть включати більше мільйона зірок. Вік населення сферичної складової Галактики перевищує 12 млрд. років. Його зазвичай приймають за вік самої Галактики.    Характерною особливістю зірок гало є надзвичайно  мала частка в них важких хімічних елементів. Зірки, які створюють  кульові скупчення, містять металів  в сотні разів менше, ніж Сонце.

Диск. В порівнянні з гало диск обертається помітно швидше. Швидкість його обертання не однакова на різних відстанях від центру. Вона швидко зростає від нуля в центрі до 200-240 км/с на відстані 2 тис. світлових років від нього, потім декілька зменшується, знову зростає приблизно до того ж значення і далі залишається майже постійною. Вивчення особливостей обертання диска дозволило оцінити його масу. Виявилось, що вона в 150 млрд. разів більше маси Сонця.    Населення диска дуже сильно відрізняється  від населення гало. Поблизу площини  диска концентруються молоді зірки  і зоряні скупчення, вік яких не перевищує  декількох мільярдів років. Вони утворюють так звану плоску складову. Серед них дуже багато яскравих і  гарячих зірок. Основним  хімічним елементом в наший Галактиці  є водень. Приблизно на 1/4 вона складається  з гелію. В порівнянні з цими двома  елементами інші присутні в дуже невеликих  кількостях. В середньому хімічний склад зірок і газу в диску  майже такий же, як у Сонця. 

Ядро. Однією з найцікавіших областей Галактики вважається її центр, або ядро, розташоване у напрямі сузір'я Стрільця. Видиме випромінювання центральних областей Галактики повністю приховано від нас могутніми шарами поглинаючої матерії. Тому його почали вивчати тільки після створення приймачів інфрачервоного і радіовипромінювання, яке поглинається у значно менше.

Спіральні гілки. Одним з найбільш помітних утворень в дисках галактик, подібних наший, є спіральні гілки (або рукави). Вони і дали назву цьому типу об'єктів - спіральні галактики. Спіральна структура в наший Галактиці дуже добре розвинена. Уздовж рукавів в основному зосереджені наймолодші зірки, багато розсіяних зоряних скупчень і асоціації, а також ланцюжки щільних хмар між зоряного газу, в яких продовжують утворюватися зірки. У спіральних гілках знаходиться велика кількість змінних і спалахуючих зірок, в них найчастіше спостерігаються вибухи деяких типів найновіших. На відміну від гало, де які-небудь прояви зоряної активності надзвичайно рідкісні, в гілках продовжується бурхливе життя, пов'язане з безперервним переходом речовини з міжзоряного простору в зірки і назад. Галактичне магнітне поле, яке пронизує весь газовий диск, також зосереджене головним чином в спіралях.

До населення І типу належать, зокрема, зорі розсіяних скупчень, до населення II типу - зорі кулястих скупчень. У наш час зорі спіральних рукавів (населення І типу) ототожнюють зосереджений біля його площини. В середньому хімічний склад населення в диску такий же, як і в Сонця. Ядро Галактики повністю приховане від нас товстим шаром поглинаючої матерії. Але певною мірою «наблизитись» до нього вдалося завдяки спостереженням в інфрачервоному діапазоні. Адже розрахунок показує, що на відстані від центра Галактики до Сонця інфрачервоне випромінювання послаблюється всього у 10 разів, тоді як у видимому діапазоні у 102 разів, тобто на 30™. Отже, тепер можна стверджувати, що діаметр ядра Галактики сягає 4 000 св. р. Для нього типова дуже велика концентрація зір - багато тисяч на кубічний світловий рік. Окрім цього, в центральних частинах ядра спостерігається навколоядерний газовий диск радіусом у 1 000 св. р. Ближче до центра відмічено зони іонізованого водню і численні джерела рентгенівського та інфрачервоного випромінювання, що свідчить про інтенсивне зореутворення.

За однією з гіпотез, у центрі Галактики є одинарна або подвійна чорна діра з масою близько 106 МR, оточена щільним газово-пиловим диском. В центрі Галактики є також яскраве радіоджерело Стрілець А, походження якого пов'язують з активністю ядра. Втім, дослідження ядра Галактики лише розпочалося.

Відстань від Сонця до центру Галактики становить, за різними оцінками, 22-33 тис. св. р. Відносно найближчих зір Сонце рухається зі швидкістю 16 км/с в напрямку сузір'я Геркулеса. Разом з усіма близькими зорями Сонце обертається навколо центра Галактики в напрямку на сузір'я Лебедя зі швидкістю близько 250 км/с. Період обертання Сонця навколо центра Галактики становить приблизно 200 млн. років і називається галактичним роком. Спіральні рукави як ціле і окремі зорі рухаються навколо центра Галактики з різними швидкостями. Кожна зоря то потрапляє у спіральний рукав, то виходить із нього. І тільки Сонце знаходиться в такому її місці, де його швидкість навколо центра Галактики практично збігається зі швидкістю спірального рукава.

Така ситуація загалом неординарна для Галактики. Саме на цій віддалі від центра за. всю історію свого існування Сонце жодного разу не потрапило в спіральні рукави. Для Землі це вкрай сприятливо, бо якби ми потрапили в спіральний рукав, бурхливі процеси, що породжують смертоносне випромінювання, знищили б усе живе на Землі. Отже, наша планета існує у відносно спокійному місці Галактики впродовж мільярдів років, не відчуваючи катастрофічного впливу космічних катаклізмів. І, можливо, саме тому на Землі могло зберегтися життя. Довгий час положення Сонця серед зір вважалося найзвичайнісіньким. Сьогодні ми знаємо, що це не так: у певному розумінні воно привілейоване. І це треба враховувати, обмірковуючи можливість життя в інших частинах нашої Галактики.

Спіральні рукави Чумацького Шляху в значній мірі приховані від нас поглинаючою матерією. Докладне їх дослідження почалося після появи радіотелескопів. Вони дозволили вивчати структуру Галактики за спостереженнями радіовипромінювання атомів міжзоряного водню, що концентрується уздовж Довгих спіралей. По сучасних уявленнях, спіральні Рукави пов'язані з хвилями стиснення, що розповсюджуються по диску галактики. Проходячи через області стиснення, речовина диска ущільнюється, а утворення зірок з газу стає інтенсивнішим. Причини виникнення в дисках спіральних галактик такої своєрідної хвильової структури не цілком ясні. Над цією проблемою працюють багато астрофізиків.

Запитання для самоперевірки1. У чому принципова різниця між об'єктами, що утворюють населення І і II типу?2. Який еволюційний зміст мають окремі підсистеми в Галактиці?3. Розкажіть про можливі причини формування спіральних рукавів Галактики.4. Чому положення Сонця і Землі в Галактиці можна вважати привілейованим?

Дякую за увагу.