"Физика (базовый уровень)", Генденштейн Л.Э., Булатова А.А., Корнильев И.Н., Кошкина А.В.
Галактика — огромная система звёзд, газа, пыли и тёмной материи, удерживаемая тяготением. Изучая галактики, астрономы выясняют, как устроена Вселенная и как она менялась. Наша Солнечная система находится в спиральном Млечном Пути, но увидеть его целиком снаружи мы не можем. Галактики различаются формой, составом и темпом рождения звёзд, взаимодействуют друг с другом и объединяются в группы и скопления. Свет далёких галактик приходит к нам долго, поэтому мы видим их такими, какими они были в прошлом.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Галактика — гравитационно связанная система звёзд, газа, пыли и тёмной материи. Звёзды дают большую часть видимого света, а газ и пыль служат материалом для новых звёзд; тёмную материю обнаруживают по её гравитационному действию. Размеры галактик огромны: они могут содержать миллиарды звёзд и простираться на десятки или сотни тысяч световых лет. Это понятие помогает отличать целую звёздную систему от отдельной звезды или планетной системы.
Млечный Путь — галактика, в которой находится Солнечная система. Это спиральная система с диском и рукавами, а Солнце расположено не в центре, а внутри диска, между спиральными рукавами. Название также используют для светлой полосы на земном небе: это вид множества далёких звёзд в плоскости галактического диска. Знание нашего положения объясняет, почему мы не видим Млечный Путь целиком снаружи.
Тип галактики — её разновидность, определяемая главным образом формой и внутренним строением. Выделяют эллиптические, спиральные и неправильные галактики; их также различают по количеству газа и пыли и по темпу рождения звёзд. Классификация позволяет сравнивать системы и связывать их внешний вид с историей развития. При этом тип не означает, что форма галактики навсегда неизменна.
Скопление галактик — объединение многих отдельных галактик, связанных взаимным тяготением. Оно намного больше одной галактики, потому что включает множество звёздных систем, а также горячий газ и тёмную материю между ними. Небольшие объединения называют группами галактик, крупные — скоплениями. Эти понятия нужны, чтобы описывать строение Вселенной на масштабах больше галактического.
Галактику удерживает тяготение: каждый её компонент притягивает остальные. Звёзды движутся вокруг общего центра масс, а газ, пыль и тёмная материя также участвуют в создании гравитационного поля. Тёмная материя не светится, поэтому её нельзя увидеть непосредственно, но о её присутствии судят по влиянию на движение звёзд и газа. Если бы суммарного тяготения не хватало, звёзды разлетались бы и связанная система не сохранялась.
У спиральной галактики выделяют центральное утолщение, диск, спиральные рукава и гало. В центральном утолщении звёзды собраны плотнее, а диск — уплощённая область, где обращаются звёзды, облака газа и пыли. Рукава выглядят как закрученные участки диска: в них газ сжимается, а уплотнение облаков способствует рождению новых звёзд. Гало окружает диск и содержит разреженные звёздные скопления и значительную долю тёмной материи.
Форма галактики связана с её историей, движением вещества и содержанием газа. Эллиптические системы обычно содержат мало холодного газа, из которого могли бы формироваться звёзды, поэтому в них преобладают старые светила и звездообразование идёт медленно. В спиральных дисках газ сохраняется, особенно в рукавах, и там чаще возникают молодые звёзды. Неправильные галактики не имеют устойчивой симметричной формы; в некоторых из них много газа и звездообразование особенно активно. Столкновения и гравитационное влияние соседей способны менять форму и перемещать газ.
Млечный Путь — спиральная галактика с центральным утолщением, диском, рукавами и гало. Солнечная система находится в диске, далеко от центра, и вместе с другими звёздами движется вокруг него. Поскольку мы наблюдаем галактику изнутри, звёзды, лежащие в плоскости диска, кажутся собранными в широкую светлую полосу. Пыль между звёздами частично закрывает далёкие участки, поэтому видимая полоса не является изображением галактики снаружи.
Галактики притягиваются друг к другу, и близкое сближение может деформировать их диски, вытянуть длинные потоки звёзд и газа или вызвать усиленное звездообразование. Попавший в центральную область газ способен питать компактный объект — сверхмассивную чёрную дыру. Вещество вокруг неё разогревается и ярко излучает; особенно яркое активное ядро далёкой галактики называют квазаром. Значит, взаимодействие меняет не только внешний вид галактик, но и активность их центров.
Сравнивайте строки таблицы по одному свойству: так проще увидеть, чем типы отличаются друг от друга. Это общие характеристики, а не строгие правила для каждой отдельной галактики. Например, содержание газа и темп звездообразования могут меняться после взаимодействий с соседями.
| Свойство | Эллиптические галактики | Спиральные галактики | Неправильные галактики |
|---|---|---|---|
| Внешняя форма | Округлая или вытянутая, гладкая | Диск с центральным утолщением и рукавами | Нет устойчивой симметричной формы |
| Наличие диска и спиральных рукавов | Обычно отсутствуют | Есть диск и спиральные рукава | Выраженные рукава обычно отсутствуют |
| Содержание газа и пыли | Обычно небольшое | Заметное, особенно в диске и рукавах | Часто значительное |
| Интенсивность образования новых звёзд | Обычно низкая | Заметная, особенно в рукавах | Может быть высокой |
| Преобладающий возраст звёзд | Старые звёзды | Звёзды разных возрастов | Часто много молодых звёзд |
| Пример галактики | Мессье 87 | Млечный Путь | Большое Магелланово Облако |
Задача 1. Галактика имеет диск, центральное утолщение и хорошо заметные спиральные рукава. Нужно определить её тип и назвать характерные компоненты. Сначала сопоставим описание с признаками типов из таблицы: наличие рукавов и диска — характерный признак спиральной галактики. Затем назовём не только заметные части, но и другие компоненты, входящие в её строение.
Ответ: это спиральная галактика. Её характерные компоненты — центральное утолщение, диск, спиральные рукава и гало; в диске находятся звёзды, газ и пыль.
Задача 2. Свет от галактики находится на расстоянии 2 млн световых лет. Требуется определить, сколько времени он идёт до Земли и какую эпоху галактики мы наблюдаем. Световой год — это расстояние, которое свет проходит за один год, а не единица времени. Поэтому число световых лет в расстоянии прямо показывает время пути света в годах.
Ответ: свет идёт около 2 млн лет, поэтому мы видим галактику такой, какой она была примерно 2 млн лет назад. Это её прошлый вид.
Задача 3. Галактика удаляется от Земли со скоростью 7000 км/с. Оценим расстояние по закону Хаббла при H₀ = 70 км/(с·Мпк). Закон связывает скорость удаления v и расстояние d: v = H₀d. Чтобы найти расстояние, нужно разделить скорость на постоянную Хаббла; единицы при делении дадут мегапарсеки.
Ответ: расстояние составляет примерно 100 Мпк. Скорость удаления связана с красным смещением спектральных линий: чем быстрее удаляется галактика, тем сильнее при прочих равных смещение к красной области спектра.
Ошибка — считать галактику отдельной звездой или просто скоплением звёзд внутри Млечного Пути. Её допускают, потому что на ночном небе отдельные звёзды видны ясно, а далёкая галактика кажется маленьким пятном. Но галактика сама является огромной системой из множества звёзд, газа, пыли и тёмной материи. Проверь себя: если речь идёт о Солнечной системе, это не галактика; если о системе со множеством звёзд, это может быть галактика.
Ошибка — отождествлять Млечный Путь-галактику со светлой полосой на небе. Полоса — это видимая часть диска Млечного Пути, которую мы наблюдаем изнутри, а не отдельный объект и не вся галактика целиком. Путаница возникает из-за того, что одним названием обозначают и галактику, и её вид на небе. Проверка простая: уточни, идёт ли речь о звёздной системе или о наблюдаемой светлой полосе.
Ошибка — считать форму галактики неизменной. Классификация описывает её наблюдаемую структуру, но гравитационное взаимодействие и столкновения могут деформировать диск, нарушить рукава и переместить газ. Эту ошибку допускают, если воспринимают тип как постоянную характеристику, похожую на неизменную геометрическую фигуру. Проверяй себя вопросом: могла ли история взаимодействий изменить наблюдаемый вид галактики? Да, поэтому тип описывает её состояние, а не гарантирует неизменность.
Ошибка — думать, что далёкую галактику мы видим такой, какова она сейчас. Свету нужно время, чтобы преодолеть расстояние, и чем дальше объект, тем более давнее излучение достигает наблюдателя. Путаница возникает, если забыть конечность скорости света. Для проверки сравни время пути света со временем наблюдения: мы фиксируем излучение, испущенное раньше, значит, видим прошлое галактики.
Для изучения галактик нужны знания о всемирном тяготении: оно объясняет, почему звёзды и другие компоненты остаются в одной системе. Строение Солнечной системы помогает отличить её от галактики, а астрономические единицы расстояния — сравнивать масштабы космоса. Свойства электромагнитного излучения позволяют получать сведения о далёких объектах по их свету. Эти знания ведут к темам строения и эволюции Вселенной, её расширения и закона Хаббла. Галактики также связаны с изучением тёмной материи и наблюдательной астрономии.
Почему галактики не распадаются на отдельные звёзды?
Звёзды и другие компоненты галактики взаимно притягиваются силой тяготения, поэтому система в целом остаётся связанной. На движение звёзд влияет также гравитация газа, пыли и тёмной материи.
Чем галактика отличается от скопления галактик?
Галактика — система из звёзд, газа, пыли и тёмной материи. Скопление галактик состоит из множества отдельных галактик, удерживаемых общим тяготением; меньшее объединение обычно называют группой.
Почему мы не можем увидеть Млечный Путь целиком снаружи?
Солнечная система находится внутри Млечного Пути, а не за его пределами. Мы видим его диск изнутри как светлую полосу на небе, но не можем отойти на расстояние, с которого открылась бы вся галактика.
Можно ли по внешнему виду галактики определить, образуются ли в ней новые звёзды?
Внешний вид даёт подсказки, но не всегда позволяет сделать точный вывод. В спиральных рукавах часто много газа и пыли, поэтому там активно рождаются звёзды; у эллиптических галактик газа обычно меньше, и звездообразование слабее.
Почему наблюдение далёких галактик позволяет изучать прошлое Вселенной?
Свет распространяется с конечной скоростью, поэтому от далёкой галактики он идёт к Земле миллионы или миллиарды лет. Мы регистрируем излучение, испущенное давно, а не состояние галактики в настоящий момент.
§ 26. Галактики
