§ 43. Галактики и Вселенная

Определения и обозначения

Галактика — гигантская система звёзд, газа, пыли и других космических объектов, связанных главным образом силами тяготения. Гравитация не даёт этим объектам разлететься независимо друг от друга. Понятие нужно, чтобы отличать огромные звёздные системы от отдельных звёзд и планетных систем.

Млечный Путь — галактика, в состав которой входит Солнечная система. Она имеет центральное ядро, плоский диск со спиральными ветвями и более протяжённую внешнюю область, а Солнце находится в диске далеко от ядра. Знание её строения помогает определить место Земли в космосе.

Световой год — расстояние, которое свет проходит за один год. Это единица расстояния, хотя в названии есть слово «год»: время используется только для вычисления длины пути по формуле s = ct. Такая единица удобна для огромных расстояний между звёздами и галактиками.

Вселенная — всё существующее космическое пространство, включающее галактики, звёзды, планеты, вещество и излучение. В неё входит и Млечный Путь, и все наблюдаемые небесные объекты. Это самое широкое понятие, поэтому Вселенную нельзя считать одной галактикой или одной системой.

Как это устроено

Звёзды, газ и пыль в галактике притягиваются друг к другу. Их общая сила тяготения создаёт связанную систему, в которой объекты движутся вокруг общего центра, а не улетают по прямым линиям. Скорости движения уравновешивают притяжение: при слишком малой скорости объект приблизился бы к центру, а при достаточной для ухода скорости покинул бы галактику.

Спиральные галактики имеют вращающийся диск, яркое центральное ядро и спиральные ветви. Ветви заметны потому, что в них много газа и пыли, из которых активно рождаются новые звёзды. Эллиптические галактики выглядят овальными или почти сферическими и обычно содержат мало холодного газа, а неправильные не имеют устойчивой формы, часто из-за взаимодействий с соседями.

Млечный Путь устроен как гигантская спиральная система. В центре находится ядро, вокруг него вращается диск со спиральными ветвями, а за диском простирается внешняя область с отдельными звёздами и скоплениями. Солнечная система расположена не в ядре, а в диске, в одной из спиральных ветвей, на большом расстоянии от центра.

Галактики редко существуют полностью изолированно. Несколько галактик образуют группу, а множество групп и галактик может входить в скопление, где объекты связаны тяготением и движутся в общем пространстве. Поэтому строение Вселенной иерархично: планеты входят в системы, системы — в галактики, галактики — в группы и скопления.

Расстояния между галактиками настолько велики, что километры становятся неудобной единицей. Световой год позволяет сразу связать расстояние со временем распространения света: чем больше световых лет, тем дольше он шёл до наблюдателя. Поэтому телескоп, направленный на далёкую галактику, показывает её прошлое; расстояние в 100 миллионов световых лет означает, что мы видим события примерно 100 миллионов лет назад.

Основные типы галактик

Чтобы определить тип галактики, сначала рассмотрите её форму и наличие диска или спиральных ветвей. Затем сравните количество газа и пыли и активность рождения новых звёзд. Размер и яркость сами по себе не являются достаточными признаками.

Млечный Путь относится к спиральным галактикам, потому что имеет диск, ядро и ветви. У эллиптических галактик правильные ветви отсутствуют, а неправильные не имеют устойчивой геометрической формы. Таблица помогает сопоставить сразу несколько признаков, а не делать вывод по одному наблюдению.

Разбор задач

Задача 1

Галактика имеет диск, яркое ядро и спиральные ветви, в которых рождаются новые звёзды. Требуется определить её тип. Сравним данные условия с признаками из таблицы, а не будем ориентироваться только на яркость.

1. Диск и спиральные ветви характерны для спиральной галактики.
2. Рождение новых звёзд в ветвях объясняется наличием газа и пыли.
3. Следовательно, все указанные признаки согласуются с одним типом.

Ответ: это спиральная галактика.

Задача 2

Найти расстояние в километрах, соответствующее 4,2 светового года. Даны скорость света c = 3 · 10⁵ км/с и длительность года t = 3,15 · 10⁷ с. Используем формулу пути s = ct, а затем умножим результат на число световых лет.

1. За один год свет проходит s₁ = 3 · 10⁵ · 3,15 · 10⁷ = 9,45 · 10¹² км.
2. Для 4,2 года получаем s = 4,2 · 9,45 · 10¹² = 3,969 · 10¹³ км.
3. Округляя результат, записываем 3,97 · 10¹³ км.

Ответ: 4,2 светового года составляют примерно 3,97 · 10¹³ км. В расчёте год не стал единицей ответа, потому что он использован для нахождения пути света.

Задача 3

Свет от галактики A идёт до Земли 2,5 млн лет, а от галактики B — 100 млн лет. Нужно сравнить расстояния и определить, какую эпоху развития галактики B мы наблюдаем. В однородных условиях большее время распространения света означает большее расстояние.

1. Находим отношение расстояний: 100 : 2,5 = 40.
2. Значит, галактика B находится в 40 раз дальше галактики A.
3. Её свет отправился в путь 100 млн лет назад, поэтому мы видим B в состоянии, существовавшем примерно 100 млн лет назад.

Ответ: галактика B в 40 раз дальше, а наблюдаем мы не её нынешний вид, а этап развития 100 млн лет назад.

Типичные ошибки

Считать Млечный Путь всей Вселенной. Ошибка возникает потому, что мы живём внутри этой галактики и часто называем её просто космосом. Проверьте себя: Вселенная включает Млечный Путь и множество других галактик.

Путать галактику с Солнечной системой. Солнечная система кажется большой из-за расстояний между планетами, но она является лишь небольшой частью Млечного Пути. Для проверки задайте вопрос: объект содержит одну звезду и её планеты или миллиарды звёзд?

Называть световой год единицей времени. Слово «год» обозначает длительность, за которую свет проходит определённый путь, но результатом является расстояние. Проверьте единицы в формуле s = ct: километры в секунду умножаются на секунды и дают километры.

Определять тип галактики только по размеру или яркости. Большая яркая галактика не обязательно является спиральной. Сначала ищите форму, диск, ядро и спиральные ветви, а затем учитывайте газ, пыль и образование звёзд.

Связь с другими темами

Для изучения галактик нужны знания о силах тяготения, скорости и расстоянии. Также используется скорость распространения света, потому что по ней определяют время прихода излучения. Эти понятия связывают наблюдения с измерениями.

Тема опирается на представления о звёздах, Солнечной системе и небесных телах. Солнечная система служит примером малой системы внутри галактики, а звёзды являются её основными видимыми составляющими. Так выстраивается переход от близких объектов к космическим масштабам.

Знания пригодятся при изучении строения Вселенной, космологии и движения космических объектов. Они помогают понимать, как измеряют астрономические расстояния и почему наблюдение неразрывно связано с изучением прошлого. Световой год становится удобным инструментом такого описания.

Что запомнить

• Галактика — система звёзд, газа и пыли, удерживаемая силами тяготения.
• Млечный Путь — галактика, в которой находится Солнечная система.
• Основные типы галактик — спиральные, эллиптические и неправильные.
• Галактики могут объединяться в группы и скопления.
• Световой год является единицей расстояния.
• Чем дальше галактика, тем более далёкое прошлое мы наблюдаем.
• Вселенная включает все галактики, звёзды, планеты, вещество и излучение.