Астрономия

Учебник для 10 класса

Звездные системы — Галактики. Метагалактика

§29.1. Нормальные галактики

Гершель в XVIII в. открыл и занес в каталоги тысячи наблюдаемых на небе туманных пятен (туманностей). У многих из них впоследствии была обнаружена спиральная структура.

Американский астроном Хаббл в XX в получил фотографии туманности в созвездии Андромеды, на которых было видно, что это туманное пятно состоит из множества звезд (рис. 100). Он обнаружил в туманности вспышки новых звезд рассеянные и шаровые скопления и цефеиды. Определив периоды переменности и видимую звездную величину этих цефеид, Хаббл установил, что все они находятся очень далеко за пределами нашей Галактики. Таким образом, вся спиральная туманность в созвездии Андромеды находится вне пределов нашей Галактики и уже этим отличается от газовых и пылевых туманностей нашей звездной системы. Зная расстояние до этой туманности и ее угловой диаметр, легко вычислить его в линейных единицах (см. § 12, рис. 38).

Рис. 100. Спиральная галактика М31 в созвездии Андромеды и ее спутник — малая эллиптическая галактика (справа).

Оказалось, что спиральная туманность в созвездии Андромеды — огромная звездная система, примерно такая же, как и наша Галактика. Мы знаем теперь, что расстояние до нее 2 млн. световых лет. В ней есть газовые и пылевые туманности, как и в нашей Галактике. Вследствие того что галактику в созвездии Андромеды мы видим под некоторым углом к ее оси, она имеет продолговатую форму. Галактика в созвездии Треугольника тоже спиральная, менее наклонена к лучу зрения и имеет поэтому иной вид (рис. 101).

Рис. 101. Спиральная галактика МЗЗ в созвездии Треугольника, видимая почти плашмя. Ее ярчайшие звезды в спиральных ветвях расположены менее тесно, чем в М31, и поэтому заметнее.

Астрономы нашли великое множество гигантских звездных систем за пределами нашей Галактики, им дали нарицательное название галактик в отличие от нашей Галактики.

Хаббл выяснил, что в спектрах галактик, расстояния до которых были оценены по видимой яркости их ярчайших звезд, линии смещены к красному концу спектра. Это красное смещение возрастает пропорционально расстоянию до галактики (рис. 102). В соответствии с эффектом Доплера — Физо (см. § 13), красное смещение означает удаление источника от наблюдателя. Скорость удаления пропорциональна величине смещения, поэтому красное смещение можно выразить в единицах скорости (км/с). Наблюдаемая пропорциональность между расстоянием D до галактик и скоростью v носит название закона Хаббла:

v = HD

Коэффициент пропорциональности Н называют постоянной Хаббла. Установлено, что величина постоянной Хаббла Н составляет примерно , т. е. на каждый миллион парсеков скорость удаления возрастает на 100 км/с. Поэтому расстояние до далекой галактики можно определить по величине красного смещения линий в ее спектре:

D=v/H

где v — скорость, определенная по красному смещению. Если, например, сдвиг линии спектра соответствует 10000 км/с, то до галактики 100 Мпк, т. е. 100 млн. пк. Этот способ используется в тех случаях, когда в далеких галактиках цефеиды или даже ярчайшие сверхгиганты не видны.

Рис. 102. Красное смещение в спектрах галактик возрастает с расстоянием до них (на фотографии спектра заметнее всего две главные линии поглощения ионизованного кальция). Ширина спектра зависит от видимого размера и яркости галактики. Яркие линии — спектр земного источника света.

По своему внешнему виду галактики делятся на спиральные, неправильные и эллиптические. Большинство наблюдаемых галактик — спиральные. Наша Галактика и галактика в созвездии Андромеды относятся к числу спиральных галактик очень большого размера. Все спиральные галактики вращаются с периодами в несколько сот миллионов лет. Массы их составляют 10⁹—10¹¹ масс Солнца.

Ветви спиральных галактик, как и у нашей Галактики, состоят из горячих звезд, цефеид, сверхгигантов, рассеянных звездных скоплений и газовых туманностей. Радиотелескопы обнаруживают в спиральных галактиках нейтральный водород в количестве до 10% от массы галактики. Есть в галактиках и пыль. Ее присутствие особенно хорошо заметно в тех из них, которые повернуты к нам ребром, поэтому похожи на веретено или чечевицу (рис. 103). Вдоль них проходит темная полоса — скопление пылевых туманностей — в экваториальной плоскости.

Рис. 103. Спиральная галактика, видимая с ребра, с темными пылевыми туманностями, скрывающими от нас ее ядро.

Во время экспедиции Магеллана в XVI в. наблюдаемые в южном полушарии неба два больших звездных облака назвали Большим и Малым Магеллановыми Облаками (рис. 104). Эти галактики по их бесформенному виду относят к типу неправильных. Они являются спутниками нашей Галактики. Расстояние до них около 150 000 световых лет. Их звездный состав такой же, как и у ветвей спиральных галактик, а ядра нет. Неправильные галактики (рис. 105, а) значительно меньше спиральных и встречаются редко.

Рис. 104. Большое Магелланово Облако — ближайшая к нам галактика Относится к типу неправильных галактик.

Эллиптические галактики наблюдаются часто. По виду они похожи на шаровые звездные скопления (рис. 105, б), но гораздо больше их по размерам. Они вращаются крайне медленно и потому почти не сплюснуты в отличие от быстро вращающихся спиральных галактик (рис. 105, в). Эллиптические галактики не содержат ни звезд-сверхгигантов, ни темных, или светлых диффузных туманностей.

Рис. 105. Основные типы галактик (масштабы фотографий различны): а — неправильная; б — эллиптическая; в — спиральная.

Разнообразны светимости галактик. У гигантских галактик абсолютная звездная величина около —21. Существуют галактики-карлики, в тысячи раз более слабые, с абсолютной звездной величиной около —13.

Академик В. А. Амбарцумян первым показал, что в центральных областях многих спиральных и эллиптических галактик — их ядрах — происходят взрывоподобные явления, сопровождающиеся выделением очень большого количества энергии.

Мир галактик так же разнообразен, как и мир звезд.

1. Линии спектра далекой галактики оказались сдвинуты на величиу, соответствующую скорости удаления от нас в 15 000 км/с Каково расстояние до нее? Каков ее размер, если она видна как пятнышко 20" в диаметре?
2. В галактике, у которой красное смещение линий в спектре соответствует 2000 км/с, вспыхнула сверхновая звезда. Ее яркость в максимуме соответствовала 18-й видимой звездной величине. Каковы ее абсолютная звездная величина и светимость?
3. По фотографии (рис. 100) оцените угол наклона спиральной галактики к лучу зрения.
4. На каком расстоянии (в парсеках) от центра галактики (рис. 85) находится в проекции на небо сверхновая звезда, если красное смещение в их спектрах 10 000 км/с, а видимый диаметр галактики 2'?