Урок Молочний шлях. Будова Галактики. Місце Сонячної системи в Галактиці. Зоряні скупчення та асоціації. Туманності. Підсистеми Галактики та її спіральна структура.

Лекція (2 години)

Тема: Молочний шлях. Будова Галактики. Місце Сонячної системи в Галактиці. Зоряні скупчення та асоціації. Туманності. Підсистеми Галактики та її спіральна структура.

Мета:

навчальна: засвоєння студентами знань про нашу Галактику та її основні елементи: склад Галактики, зорі, їх скупчення і асоціації, туманності та їх види; будову і обертання Галактики; рух зір та Сонця; сусідні Галактики;

розвивальна: розвивати вміння користуватися основними методами логіч-ного мислення, робити висновки й узагальнення;

виховна:

виховувати у студентів інтерес до астрономії;   формувати  загальнокуль-турну компетентність, науковий світогляд.

План лекції

1. Молочний шлях. Структура Молочного шляху.
2. Будова Галактики. Місце Сонячної системи в Галактиці.
3. Зоряні скупчення та асоціації. Туманності.
4. Підсистеми Галактики та її спіральна структура.

Рекомендована література

1. Воронцов-Вельяминов Б. А. Астрономия: Учеб. для 11 кл. сред. шк. - 18-е изд. - М.: Просвещение, 1989. - 159 с., 1 л. карт,: ил.
2. Климишин І.А,, Крячко І.П. Астрономія: Підручник для 11 класу загальноосвітніх навчальних закладів. К.: Знання України, 2002.
3. Пришляк М.П. Астрономія: 11кл. підручник для загальноосвіт. навч. закл.: рівень стандарту, академічний рівень/М.П. Пришляк; за заг. ред.. Я.С.Яцківа. – Х.: Вид-во «Ранок», 2011. – 160с.: іл.

Молочний шлях.

Молочний шлях - це відносно яскрава сріблясто-біла  смуга на зоряному небі, яку давні греки назвали «Галактикою» (від грецького «гала» - молоко).

Кільце Молочного шляху утворюють найближчі до нас зорі Галактики, яка як зоряна система має вигляд диска чи двоопуклої лінзи. На перших її дослідників це кільце створювало враження, ніби-то Сонце  перебуває у центрі Галактики. Як побачимо ділі, це зовсім не так. При обговоренні будови Галактики ще В.Гершель через середину Молочного шляху провів уявну площину, згодом названу галактичною. Підраховуючи кількість зір, що їх видно в телескоп у кожній із 1083 невеличких, але однакових ділянок неба, розташованих на різних кутових відстанях від загальної площини, Гершель побудував першу модель Галактики. У цій моделі Галактика мала вигляд диска діаметром 5800 і товщиною 1100 св.р.  Тепер можна сказати, що він применшив розміри Галактики в 17 разів, бо не врахував поглинання світла зір міжзоряним газом, про яке тоді було невідомо. Зоряні скупчення та асоціації. Деяка частина зір Галактики об’єднана в скупчення, тобто в групи, які пов'язані між собою взаємним тяжінням і тому рухаються в просторі як єдине ціле.  Розрізняють два види зоряних скупчень: розсіяні та кулясті.

Розсіяні зоряні скупчення складаються з декількох десятків, сотень іноді тисяч зір і мають неправильну форму. Їхні діаметри становлять 10-20 св. р. Кулясті зоряні скупчення мають сферичну або злегка сплюснуту форму  діаметром до 300 св.р. Вони налічують сотні тисяч і навіть мільйони зір, які групуються до центра. У 20-х роках ХХ ст. увагу астрономів привернули групи біло-голубих зір, що згодом отримали назву ОВ – асоціацій. Досліджуючи їх, у 1952 році В.А. Абарцумян зробив висновок, що процес групового  формування зір продовжується і в наш час. Тоді ж він відкрив групи змінних типу Т Тельця, які отримали назву Т – асоціацій. Це - молоді зорі.

Туманності. Не лише зорі населяють нашу Галактику. Міжзоряний простір заповнено газом та пилом. Ці газ та пил дуже розріджені - одна частинка на 10 см³. Та часом вони утворюють величезні за розміром (10 – 100 пк), досить щільні (10 – 100 частинок в 1 см³, неправильної форми хмари - дифузні туманності, які поділяють на світлі і темні. Окрім дифузних, існують також компактні туманності правильної форми. Вони поділяються на волокнисті і планетарні. Принаймні частина волокнистих туманностей - це залишки спалахів наднових. Одна з них - Крабоподібна туманність із сузір’я Тільця, відстань до якої становить 5 500 св.р., а видима зоряна величина 8,6^m. Планетарними названо туманності кільцеподібної форми, які здалека мають вигляд слабких кілець або дисків. Частина речовини у міжзоряному середовищі перебуває в розпорошеному стані. Завдяки поглинанню нею світла від далеких зір у їхніх спектрах виявлено лінії поглинання, що належать атомам і молекула міжзоряного газу.

Структура Молочного шляху. Діаметр Галактики складає біля 30 тисяч парсек (порядку 100 000 світлових років) при оцінній середній товщині порядку 1000 світлових років. Галактика містить, за самої низькою оцінкою, порядку 200 мільярдів зірок (сучасна оцінка коливається в діапазоні припущень від 200 до 400 мільярдів). Основна маса зірок розташована в формі плоского диска. За станом на січень 2009, маса Галактики оцінюється в 3×1012 маси Сонця, або 6×1042 кг. Велика частина маси Галактики міститься не в зірках і міжзоряному газі, а в гало з темної матерії. Темна матерія - це загальна назва сукупності астрономічних об'єктів, недоступних прямим спостереженням сучасними коштами астрономії (що тобто не випускають електромагнітного випроміню-вання достатньої для спостережень інтенсивності), але що спостерігається непрямо по гравітаційних ефектах, що надаються на об'єкти, що спосте-рігаються. У середній частині Галактики знаходиться потовщення, яке нази-вається балджем (англ. bulge - потовщення), що становить біля 8 тисяч парсек.

У центрі Галактики, видно, розташовується сверхмасивна чорна діра навколо якої, приблизно, обертається чорна діра середньої маси. Їх спільна гравітаційна дія на сусідні зірки примушує останні рухатися по незвичайних траєкторіях. Центр ядра галактики проеціруется на сузір'я Стрільця (α = 265°, δ = −29°). Відстань до центра Галактики 8,5 кілопарсек (2,62 · 1022 см, або 27 700 світлових років). Галактика відноситься до класу спіральних галактик, що означає, що у Галактики є спіральні рукава, розташовані в площині диска. Диск занурений в гало сферичної форми, а навколо нього розташовується сферична ж корона. Сонячна система знаходиться на відстані 8,5 тисяч парсек від галактичного центра, поблизу площини Галактики (зміщення до Північного полюса Галактики становить всього 10 парсек), на внутрішньому краю рукава, що носить назву рукав Оріона. Таке розташування не дає можливості спостерігати форму рукавів візуально. Нові дані по спостереженнях молекулярного газу говорять про те, що у нашої Галактики є два рукави, що починаються у бара у внутрішній частині Галактики. Крім того, у внутрішній частині є ще пара рукавів. Потім ці рукава переходять в чотирирукавну структуру, що спостерігаються в лінії нейтрального водню у зовнішніх частинах Галактики. Галактичне гало має сферичну форму діаметром біля 5-10 тисяч світлових років і температуру біля 5×105 У основному складається з розрідженого гарячого газу, зірок і темної матерії. Остання складає основну масу галактики.

Вчені з Каліфорнійського університету при дослідженні поширеності водня в областях, що зазнають спотворення, виявили, що ці деформації тісно пов'язані з положенням орбіт двох галактик-супутників Молочного Шляху - Великого і Малого Магелланових хмар, які регулярно проходять крізь навко-лишню його темну матерію. Є і інакші, ще менш близькі до Молочного Шляху галактики, однак їх роль (супутники або що поглинаються Молочним Шляхом тіла) не ясна. Маса Галактики не менше за 2*10¹¹ маси Сонця. У основному це зірки, але 5% її маси доводиться на міжзоряну речовину - газ і пил. Міжзоряна речовина заповнює простір між зірками в галактичному диску товщиною біля 600св.років, причому всередині диска воно концентрується до спіральних рукавів Галактики. Значна частина міжзоряної речовини об'єднана в масивні холодні хмари, в надрах яких формуються зірки.

Історія відкриття галактики. Більшість небесних тіл об'єднуються в різні системи, що обертаються. Так, Місяць обертається навколо Землі, супутники планет-гігантів утворять свої, багаті тілами, системи. На більш високому рівні, Земля і інші планети обертаються навколо Сонця. Виникало природне питання, чи не входить і Сонце в систему ще більшого розміру?

Перше систематичне дослідження цього питання виконав в XVIII віці англійський астроном Уїльям Гершель. Він підраховував кількість зірок в різних областях неба і виявив, що на небі присутнє велике коло (згодом він був названий галактичним екватором), яке ділить небо на дві рівні частини і на якому кількість зірок виявляється найбільшим. Крім того, зірок виявляється тим більше, ніж ближче дільниця неба розташована до цього кола. Нарешті виявилося, що саме на цьому колі розташовується Молочний Шлях. Завдяки цьому Гершель здогадався, що всі зірки, що спостерігаються нами утворять гігантську зіркову систему, яка сплюснена до галактичного екватора. Спочатку передбачається, що всі об'єкти Всесвіту є частинами нашої Галактики, хоч ще Кант висловлював припущення, що деякі туманності можуть бути галактиками, подібними Молочному Шляху. Ще в 1920 році питання про існування позагалактичних об'єктів викликало дебати (наприклад, відома Велика Суперечка між Харлоу Шеплі і Гебером Куртісом; перший відстоював одиничність нашої Галактики). Гіпотеза Канта була остаточно доведена лише в 1920-х роках, коли Едвіну Хабблу вдалося виміряти відстань до деяких спіральних туманностей і показати, що по своєму видаленню вони не можуть входити в склад Галактики.

Зоряні скупчення. На осінньому зоряному небі впадає в око тісна красива група зірок у сузір'ї Тельця, схожа на блискучий маленький ківш. Називається вона Плеядами. Неозброєне око розрізняє в цій групі 7-8 зір, а на фотографіях з тривалою експозицією налічується близько 300 слабких зірок. Таке об'єднання зір - Гіади - розташоване поруч з Альдебараном (α Тельця). Ці та аналогічні до них тісні зоряні групи неправильної форми називаються розсіяними зоряними скупченими. У кожному з них сотні або й тисячі зір, які мають спільне походження, об'єднанні силою всесвітнього тяжіння і разом рухаються у просторі. Діаметри розсіяних зоряних скупчень становлять 10-20 світових років. Більшість розсіяних скупчень складається тільки із зір головної послідовності, а це означає, що вік цих утворень не перевищує 10-100млн.років, тобто вони доволі «молоді». Зараз відомо близько 1200 розсіяних зоряних скупчень і майже усі вони розташовані у Молочному Шляху чи поблизу нього. Найближче до нас розсіяне зоряне скупчення - Гіади - віддалені всього на 46 пк.

Окрім розсіяних, спостерігаються і зоряні скупчення сферичної чи еліпсоїдної форми, які називають кулястими. Вони мають величезні розміри (до 300 св.років) і складаються із сотень тисяч зірок. Значна кількість червоних гігантів у кулястих зоряних скупченнях свідчить про поважний вік цих утворень. Найстарші з них існують 13-15 млрд.років. На відміну від розсіяних, кулясті зоряні скупчення сконцентровані біля центра Галактики. Зараз відомо близько 150 кулястих зоряних скупчень, і всі вони надзвичайно віддалені. М22 (читається «Месьє 22») у сузір'ї Стрільця - єдине кулясте зоряне скупчення, яке можна бачити неозброєним оком у вигляді туманної плямки (m = 5,1), розташованої на відстані 2800 пк.

Зоряні асоціації. У 1947 р радянський астрофізик В. А. Амбарцумян повідо-мив про відкриття нового виду зоряних утворень - зоряних асоціацій. Це наймо-лодші розсіяні зоряні скупчення, що складаються з дуже молодих зір. Молоді гарячі біло-голубі зорі (класів О та В) групуються в О-асоціації, а молоді зорі типу Т-Тельця - у Т-асоціації. Згідно з астрофізичними даними, 98% маси усієї Галактики сконцентровано у зорях. Решта - 2% речовини припадає на газ і пил. Вони надзвичайно розріджені (1 частинка - на 10 см) і розподілені нерівномірно у Галактиці. Уважно придивившись до Молочного Шляху, можна побачити на його світ-лому фоні темні області з незначною кількістю світил. А від сузір'я Лебедя в напрямі на сузір'я Скорпіона Молочний Шлях складається із двох гілок, розділених так званим Великим Провалом. Ця темна смуга - велетенське скупчення пилу, сконцентрованого поблизу галактичної площини. Газопилові хмари екранують світло зірок, розташованих у них та за ними. Іноді з пилу і газу формуються туманності.

Величезні згущення пилу та газу, які мають неправильну форму, назив-аються дифузними туманностями. Їхня маса може сягати 10000. Густина туманностей дуже мала – 10-100 частинок в 1 см³, але, простягаючись на десятки й сотні парсек, вони стають непрозорими для світла далеких зір. У ди-фузних газопилових туманностях виникають і формуються молоді зорі. Дифуз-ні туманності можуть бути темними та світлими. Залежить це від того, є чи нема поблизу яскравої зорі. Наявність значної кількості темних газопилових туманностей у площині Молочного Шляху створює ефект Великого Провалу. Однією з найвідоміших темних дифузних туманностей є туманність Кінська Голова. Якщо в туманності або біля неї є яскрава зоря, то газ і пил відбивають та розсіюють її світло. Туманність при цьому виглядає світлою. Характерним представником таких об'єктів є туманність в Оріоні, розташована трохи нижче від «пояса Оріона». Для неозброєного ока вона виглядає слабенькою зеленува-тою плямкою. Загалом відомо понад 150 світлих дифузних туманностей.

Газ туманностей, іонізуючись ультрафіолетом зорі, теж випромінює. Тому в спектрах туманностей, окрім ліній поглинання, є і окремі яскраві лінії випромінювання. За ними визначають хімічний склад туманностей. Є світлі туманності правильної форми: волокнисті та планетарні. Вважається, що ці об'єкти формуються зі скинутих зорями оболонок на заключних етапах. Волокнисті туманності (наприклад, Крабоподібна туманність у сузір'ї Тельця), очевид-но, є залишками спалаху наднових зір. З оболонок червоних гігантів утворюються планетарні туманності. Вони мають сферичну форму, а в їх центрі розташована зоря білий карлик. На сьогодні відомо понад 1300 планетарних туманностей. Вони розширюються з неабиякою швидкістю (до 40 км/с) і за кілька десятків тисяч років повністю розсіюються у просторі. Отож, зорі нашої Галактики, сформувавшись із газу й пилу в дифузних туманностях, у кінці життя, скидаючи оболонку або вибухаючи, значну частину своєї речовини повертають у міжзоряний простір у вигляді газу волокнистих чи планетарних туманностей. За сучасними уявленнями, наша Галактика має дві складових - плоску та сферичну. Вони відрізняються не лише формою, а й, що головне, об'єктами, які їх утворюють. Сферична підсистема - гало чи корона - складається з газу, дуже старих неяскравих зір, як правило, згрупованих у величезні кулясті скупчення. Об'єкти гало концентруються до центра Галак-тики, утворюючи балдж (з англійської bulge - опуклість). Радіус гало, згідно з даними Космічного телескопа ім. Хаббла, дорівнює 300 000 св.р. Плоска підсистема - диск - складається переважно з газу, молодих зір та їхніх скупчень. Вік більшості об'єктів диска до 1млрд.років. Діаметр диска 100 000 св.p., а товщина центральної зони 10 000 св.р. кількість зір у диску сягає 400 млрд., а його маса 150 млрд. .У центрі Галактики розташоване ядро діаметром 4000 св.р. концентрація зір у ядрі дуже висока, ймовірно, у його центрі є дуже масивна чорна діра. Досліджують ядро Галактики в інфрачервоному діапазоні, бо випромінювання таких частот найменше послаблюється.

Наша Галактика має чітко виражену спіральну структуру. Доведено, що вона має дві спіралі. їхні гілки сприймаються нами у вигляді Молочного Шля-ху. Швидкість обертання зір навколо центра Галактики різна. Із віддаленням від центра вона спочатку зростає, в околицях Сонця набуває найбільшого значення - 250 км/с, а далі повільно зменшується. Однією із зір Галактики є Сонце. Воно перебуває на відстані близько 30000 св.р. від її центра. Сонце разом зі своєю планетною системою оберта­ється навколо центра Галактики зі швидкістю 250км/с і робить повний оберт приблизно за 200 млн. років. Цей час називають галактичним роком. Згідно зі спостереженням, наша зоря розташована між двома спіральними рукавами і ніколи не потрапляла в них. Таке розміщення у відносно спокійній частиш Галактики є надзвичайно важливою умовою виникнення та існування життя на Землі.

Швидка еволюція зір, що відбувається у спіральних рукавах, супровод-жується інтенсивним, смертоносним для всього живого випромінюванням. Наприклад, якби на відстані 10пк від Сонця спалахнула наднова, то через 10 000 років туманність - залишок вибуху сягнула б Сонячної системи і на десятки тисяч років огорнула б її. Висока щільність космічних променів у залишках наднової спричинила б різке підвищення рівня радіації на поверхні Землі. Для багатьох видів живих організмів такі умови є згубними і призводять до швидкого вимирання. До речі, сліди таких катастроф на планеті є. Деякі вчені вважають, що раптове, дуже швидке вимирання динозаврів зумовлене «зоряною» причиною, адже за час існування Сонця (5 млрд. років) поблизу (10-20пк) спалахнуло близько десятка наднових зір.

Питання для самоконтролю.

1. Що таке Молочний шлях?
2. Складові розсіяних зоряних скупчень  та кулястих зоряних скупчень.
3. Зоряні скупчення. Утворення зоряних асоціацій.
4. Що називають туманністю?