2. Другие галактики

Определения и обозначения

Галактика — гравитационно связанная система звёзд, газа, космической пыли и тёмной материи. Гравитация удерживает эти компоненты вместе и определяет движение вещества. Понятие нужно, чтобы отличать огромную самостоятельную систему от отдельной звезды или небольшого облака.

Млечный Путь — галактика, в которой находятся Солнце и вся Солнечная система. С Земли её часть видна как светлая полоса на ночном небе, потому что мы наблюдаем диск Галактики изнутри. Это не отдельный объект рядом с нами, а название всей галактики.

Туманность Андромеды, или галактика Андромеды, — ближайшая к Млечному Пути крупная спиральная галактика. Историческое слово «туманность» связано с её размытым видом в старых телескопах. Сегодня известно, что это не облако внутри нашей Галактики, а самостоятельная звёздная система.

Внегалактический объект — объект, находящийся за пределами Млечного Пути. Так называют другие галактики и объекты, связанные с ними. Термин отделяет их от звёзд, туманностей и скоплений, расположенных внутри нашей Галактики.

Как это устроено

Наблюдатели сначала принимали многие размытые пятна за газовые облака Млечного Пути, потому что в небольшие телескопы они выглядели бесформенными. Развитие телескопов позволило увидеть в некоторых пятнах отдельные звёзды, а измерение расстояний показало, что они находятся далеко за пределами нашей Галактики. Так возникло современное представление о внегалактических объектах.

По внешнему виду галактики делят на спиральные, эллиптические и неправильные, потому что форма отражает распределение вещества и особенности движения звёзд. В спиральной галактике заметны диск, центральная область и рукава, в эллиптической вещество образует округлое или вытянутое скопление, а неправильная не имеет устойчивой симметричной формы. Классификация помогает сравнивать строение галактик и условия в них.

Расстояния находят по объектам известной светимости, то есть по источникам, чью истинную мощность излучения можно оценить. Например, цефеиды меняют блеск с определённым периодом, а этот период связан с их светимостью. Сравнивая известную светимость с измеренным потоком, используют зависимость F = L/(4πr²) и находят расстояние; видимая яркость при этом не равна истинной светимости.

Скорость удаления определяют по спектру галактики. Если известная спектральная линия наблюдается при большей длине волны, чем в лаборатории, возникает красное смещение: z = (λнабл − λ₀)/λ₀. Изменение длины волны связано с движением источника относительно наблюдателя, поэтому по величине смещения можно оценить скорость, учитывая, что на спектр способны влиять и другие движения.

Для далёких галактик наблюдается закономерность: чем больше расстояние, тем в среднем выше скорость удаления. Это выражается законом Хаббла v = H₀r и означает расширение пространства Вселенной. Галактики не разлетаются из одного центра в уже существующем пространстве: увеличиваются расстояния между удалёнными областями самого пространства, поэтому специального центра расширения нет.

Типы галактик и их основные признаки

При работе с таблицей сначала определите форму галактики, затем сопоставьте её с составом вещества. Количество холодного газа и пыли помогает понять, насколько активно в галактике рождаются новые звёзды.

Разбор задач

1. Красное смещение

В спектре далёкой галактики линия с лабораторной длиной волны 500 нм наблюдается при 510 нм. Требуется найти красное смещение и понять, к какой части спектра сдвинулась линия.

1. Обозначим λ₀ = 500 нм, λнабл = 510 нм.
2. Используем определение z = (λнабл − λ₀)/λ₀.
3. Подставим значения: z = (510 − 500)/500 = 10/500 = 0,02.

Ответ: красное смещение z = 0,02, или 2 %. Наблюдаемая длина волны больше лабораторной, поэтому линия сместилась к красной части спектра.

2. Расстояние по цефеиде

У цефеиды измерены известная светимость L и наблюдаемый поток излучения F. Нужно объяснить, как получить расстояние до галактики, не принимая видимую яркость за светимость.

1. Светимость L рассматриваем как истинную мощность излучения цефеиды, найденную по её свойствам.
2. Поток F показывает, сколько энергии достигает единицы площади у наблюдателя.
3. Из закона F = L/(4πr²) выражаем расстояние: r = √(L/(4πF)).

Ответ: после подстановки L и F получают расстояние r. Чем меньше измеренный поток при той же светимости, тем дальше находится цефеида и её галактика.

3. Постоянная Хаббла

Для нескольких галактик известны расстояния r и скорости удаления v. Требуется построить зависимость скорости от расстояния и оценить постоянную Хаббла.

1. По горизонтальной оси откладываем r, а по вертикальной — v.
2. Для достаточно далёких галактик наносим точки и проводим прямую, проходящую примерно через начало координат.
3. Наклон прямой равен H₀: H₀ = v/r. Если используют км/с и Мпк, единица постоянной — км/(с·Мпк).

Ответ: постоянную Хаббла находят по наклону графика, а не по одной случайной точке. Чем круче прямая, тем больше скорость удаления при том же расстоянии.

Типичные ошибки

Любая туманность — облако внутри Млечного Пути. Так считают из-за исторического названия и размытого вида объектов. Проверка: нужно определить расстояние и выяснить, разрешаются ли в объекте отдельные звёзды.

Видимая яркость равна светимости. Ошибку вызывает привычка оценивать мощность источника по тому, насколько ярким он кажется. Проверка: вспомните зависимость F = L/(4πr²) и учтите расстояние.

Красное смещение всегда означает удаление. Такое упрощение игнорирует собственные движения объектов и другие воздействия на спектр. Проверка: рассматривайте смещение как признак движения относительно наблюдателя и учитывайте общий контекст наблюдений.

Все галактики разлетаются из Млечного Пути. Ошибка появляется, если представить расширение как обычный взрыв из одной точки. Проверка: закон Хаббла описывает увеличение расстояний в расширяющемся пространстве, а Млечный Путь не является его центром.

Связь с другими темами

Для понимания темы нужны знания о строении Млечного Пути, электромагнитном спектре и спектральных линиях. Они позволяют связать наблюдаемый свет с составом и движением далёких объектов. Без этих понятий трудно объяснить красное смещение.

Светимость и видимая яркость связывают галактики с оптикой. Различие между ними используется для определения расстояний по цефеидам и другим источникам известной светимости. Поэтому астрономические измерения опираются на законы распространения света.

Красное смещение и закон Хаббла подводят к изучению расширения и эволюции Вселенной. По ним исследуют не только отдельные галактики, но и изменение Вселенной в целом. Наблюдения галактик становятся основой космологических выводов.

Что запомнить

• Галактики — крупные гравитационно связанные системы звёзд и межзвёздного вещества.
• Млечный Путь — одна из галактик; Солнце находится внутри неё.
• Галактики различают, в частности, по их форме и строению.
• Расстояния до галактик оценивают по объектам известной светимости и другим астрономическим методам.
• Красное смещение спектральных линий позволяет судить о движении источника относительно наблюдателя.
• Для достаточно далёких галактик скорость удаления в среднем растёт с расстоянием согласно закону Хаббла.