§ 84. Звездные системы (галактики)

Определения и обозначения

Галактика — гравитационно связанная система звёзд, межзвёздного газа и пыли, а также тёмного вещества. Гравитационно связанная означает, что взаимное притяжение удерживает компоненты вместе. Это понятие помогает отличить галактику от случайной группы небесных тел.

Млечный Путь — галактика, в которой находится Солнечная система. Это спиральная система с диском диаметром примерно 100 тысяч световых лет и утолщением в центре. Солнечная система расположена в диске, примерно в 26 тысячах световых лет от центра, поэтому мы наблюдаем галактику изнутри.

Галактическое ядро — центральная, наиболее плотная область галактики. В ней сосредоточено много звёзд, а в центре Млечного Пути находится сверхмассивная чёрная дыра. Термин нужен, чтобы обозначать центральную часть системы и сравнивать её с диском и гало.

Спиральная галактика — галактика с диском, ядром и спиральными рукавами. В диске обращаются звёзды, газ и пыль, а рукава выделяются повышенной плотностью вещества. Такое определение позволяет узнавать этот тип по форме и связи строения со звездообразованием.

Как это устроено

Галактика остаётся единой системой потому, что все её компоненты притягиваются друг к другу. Звёзды обращаются вокруг общего центра масс, а газ и пыль участвуют в том же гравитационном движении. Тёмное вещество не излучает заметного света, но его гравитационное влияние помогает объяснить движение звёзд и газа на больших расстояниях от центра.

У спиральной галактики центральное ядро окружено плоским диском, а за его пределами располагается разреженное гало. Диск выглядит плоским из-за вращения: при движении вещества вокруг центра его движение в основном сосредоточивается в одной плоскости. Гало охватывает диск и содержит, в частности, старые звёзды и шаровые звёздные скопления, а также значительную долю тёмного вещества.

В спиральных рукавах плотность газа и пыли выше, чем в соседних областях диска. Облака вещества под действием собственной гравитации могут сжиматься, нагреваться и превращаться в области рождения звёзд. Поэтому в рукавах часто видны яркие молодые звёзды: они недолго живут и не успевают далеко уйти от мест своего появления.

Галактики различаются формой и количеством сырья для рождения звёзд. В эллиптических системах газа и пыли обычно мало, поэтому образование новых звёзд идёт медленно, а преобладают старые звёзды. Спиральные галактики сохраняют газ в дисках и рукавах, а неправильные не имеют устойчивой симметричной формы и могут содержать много газа, из-за чего звездообразование в них бывает интенсивным.

Солнечная система находится не в ядре, а в диске Млечного Пути, в одном из его спиральных рукавов. Увидеть галактику снаружи мы не можем, потому что находимся внутри неё, а межзвёздная пыль поглощает и рассеивает часть света. Светлая полоса на ночном небе возникает из-за множества далёких звёзд диска, лежащих в одном направлении; это видимая проекция части галактики, а не вся галактика целиком.

Основные типы галактик

Сначала сравните форму объекта с первой строкой таблицы, затем проверьте содержание газа и темп звездообразования. Ни один признак не всегда достаточен сам по себе, поэтому надёжнее учитывать их вместе. Примеры в последней строке помогают закрепить соответствие типов.

Разбор задач

Задача 1. Объект имеет плоский диск, центральное ядро и хорошо заметные рукава. Нужно определить тип галактики. Сопоставим перечисленные признаки с устройством основных типов.

1. Плоский диск и центральное ядро характерны для спиральной галактики.
2. Выраженные рукава — дополнительный отличительный признак этого типа.
3. Эллиптическая галактика не имеет дисковых рукавов, а неправильная не обладает такой упорядоченной формой.

Ответ: это спиральная галактика.

Задача 2. Свет от галактики находится на расстоянии 2,5 млн световых лет. Определим, сколько времени он движется до Земли. Световой год — расстояние, которое свет проходит за один год, поэтому численное значение расстояния в световых годах сразу задаёт время в годах.

1. Записываем расстояние: 2,5 млн световых лет.
2. Используем определение: за один год свет проходит один световой год.
3. Следовательно, время распространения света равно 2,5 млн лет.

Ответ: свет движется до Земли около 2,5 млн лет. Мы видим галактику такой, какой она была в момент излучения этого света.

Задача 3. В первой галактике много газа и молодых звёзд, во второй газа почти нет и преобладают старые звёзды. Определим типы галактик и объясним разницу в звездообразовании. Для этого свяжем наличие газа с возможностью образовывать новые звёзды.

1. Обилие газа и молодых звёзд указывает на активное звездообразование; это характерно для спиральных галактик, особенно в рукавах, а также может встречаться в неправильных.
2. Малое количество газа и преобладание старых звёзд типичны для эллиптической галактики.
3. Газ служит исходным веществом для новых звёзд, поэтому при его нехватке звездообразование замедляется.

Ответ: первая галактика, вероятнее всего, спиральная или неправильная, вторая — эллиптическая. По одному описанию первой нельзя уверенно отличить спиральную форму от неправильной, но её активное звездообразование объясняется запасом газа.

Типичные ошибки

Ошибка: считать, что галактика состоит только из звёзд. Так думают, потому что именно звёзды ярче всего заметны на снимках, но газ, пыль и тёмное вещество тоже входят в систему. Проверьте себя: можете ли вы назвать компоненты, которые не светятся как звёзды, но влияют на строение галактики?

Ошибка: путать галактику с Солнечной системой или звёздным скоплением. Причина — и там, и там есть звёзды, однако галактика включает огромное число звёздных систем и межзвёздное вещество. Для проверки сравните масштаб объекта и уточните, является ли он частью более крупной гравитационно связанной системы.

Ошибка: представлять спиральные рукава неподвижными цепочками одних и тех же звёзд. Их принимают за такие цепочки из-за чёткой формы на изображениях, но рукава — области повышенной плотности, где особенно заметны газ и молодые звёзды. Проверьте объяснение: оно должно учитывать движение звёзд и рождение новых светил в рукавах.

Ошибка: отождествлять Млечный Путь-галактику со светлой полосой на небе. Полоса возникает при наблюдении изнутри диска и показывает множество далёких звёзд в одном направлении, а не весь объект. Проверить себя можно вопросом: охватывает ли видимая полоса ядро, диск и гало целиком? Нет, это лишь часть картины.

Связь с другими темами

Для понимания темы нужны знания о всемирном тяготении: именно гравитация связывает компоненты галактики. Понятия о строении звёзд помогают объяснить, как газ превращается в звёзды и как меняются сами светила. Световой год и парсек нужны для представления расстояний, слишком больших для привычных единиц.

Тема пригодится при изучении строения Вселенной, галактических скоплений и эволюции звёзд. Наблюдая спектры, яркость и видимую форму галактик, астрономы исследуют их свойства и оценивают расстояния. Так сведения об отдельных объектах помогают описывать космос на больших масштабах.

Что запомнить

• Галактика — гравитационно связанная система звёзд, газа, пыли и тёмного вещества.
• Млечный Путь — галактика, в которой находится Солнечная система.
• Основные типы галактик — эллиптические, спиральные и неправильные.
• Спиральная галактика состоит из ядра, диска, рукавов и гало.
• В спиральных рукавах сосредоточены газ, пыль и области рождения новых звёзд.
• Эллиптические галактики обычно содержат мало холодного газа и молодых звёзд.
• Расстояния до галактик выражают в световых годах и парсеках.