2. Другие галактики

Определения и обозначения

Галактика — гравитационно связанная система звёзд, газа, пыли и тёмной материи. Гравитация удерживает её компоненты вместе, поэтому галактика не является случайным скоплением отдельных звёзд. Это понятие нужно, чтобы отличать большую звёздную систему от одной звезды или планетной системы.

Млечный Путь — галактика, в которой находится Солнечная система. С Земли её часть видна как светлая туманная полоса, похожая на разлитое молоко, поэтому возникло такое название. По общему строению Млечный Путь относится к спиральным галактикам.

Световой год — единица расстояния, равная пути, который свет проходит за один год. Это не единица времени: в одном световом году примерно 9,46 · 10¹² км. Ею пользуются потому, что расстояния между галактиками настолько велики, что в километрах они выражаются неудобно огромными числами.

Красное смещение — смещение спектральных линий далёкой галактики в сторону больших длин волн, то есть к красной части спектра. Оно возникает, когда галактика удаляется от наблюдателя, поэтому по величине смещения можно изучать её движение. Термин нужен для исследования расширения Вселенной.

Как это устроено

Звёзды образуют галактики потому, что между всеми массами действует сила тяготения. Она собирает вещество в связанную систему и не позволяет звёздам, газу и пыли разлететься независимо друг от друга. Объекты движутся вокруг общего центра масс, хотя их орбиты могут быть сложными и не похожими на планетные.

Галактики имеют разные формы, потому что вещество в них движется и распределяется по-разному. У спиральных галактик есть плоский диск, центральное утолщение и закрученные рукава, у эллиптических — овальная или почти сферическая форма без рукавов. Неправильные галактики не имеют устойчивого симметричного вида, часто из-за слабой массы или взаимодействия с соседями.

Внешний вид галактики связан с происходящими в ней процессами. В спиральных рукавах сосредоточены холодный газ и пыль, из которых при сжатии образуются новые звёзды, поэтому там встречаются яркие молодые звёзды. В эллиптических галактиках запас холодного газа мал, поэтому в них преобладают старые звёзды и рождение новых светил идёт слабо.

Далёкие галактики обнаруживают по излучению, которое достигает телескопов. По изображению определяют форму и размеры, а по спектру — химический состав, температуру и движение вещества. Сравнивая положение спектральных линий с их известными лабораторными значениями, учёные измеряют красное смещение.

Далёкие галактики позволяют заглянуть в прошлое, потому что свет распространяется не мгновенно. Чем дальше находится объект, тем дольше его излучение идёт до Земли и тем более ранний этап жизни Вселенной мы видим. Красное смещение показывает, что многие галактики удаляются, причём в целом более далёкие — быстрее, что подтверждает расширение Вселенной.

Основные типы галактик и их особенности

Сначала по изображению определяют внешнюю форму галактики, а затем уточняют вывод по содержанию газа, пыли и типу звёзд. Наличие диска и рукавов указывает на спиральный тип, округлый вид без рукавов — на эллиптический. Если чёткой формы нет, галактику относят к неправильным, но окончательный вывод делают по совокупности признаков.

Разбор задач

Задача 1. Галактика находится на расстоянии 2,5 млн световых лет от Земли. Как давно дошёл до нас свет, который мы наблюдаем сегодня?

1. Один световой год — это расстояние, которое свет проходит за один год.
2. Значит, число световых лет сразу показывает время распространения света в годах, если скорость света считать постоянной.
3. Для расстояния 2,5 млн световых лет получаем время 2,5 млн лет.

Ответ: наблюдаемый свет вышел из галактики примерно 2,5 млн лет назад.

Задача 2. По изображению галактики нужно определить её тип. Видны диск, центральное утолщение и хорошо различимые спиральные рукава.

1. Сначала сравним признаки изображения с особенностями разных типов галактик.
2. Диск, центральное утолщение и рукава являются характерными частями спиральной галактики.
3. Следовательно, отсутствие сведений о спектре не мешает определить тип по внешнему строению.

Ответ: галактика спиральная.

Задача 3. Спектральная линия галактики смещена в сторону красной части спектра. Что можно заключить о движении галактики и почему по этому явлению изучают расширение Вселенной?

1. Сравниваем наблюдаемое положение линии с положением такой же линии в спектре неподвижного источника.
2. Смещение к большим длинам волн является красным смещением и означает, что галактика удаляется от наблюдателя.
3. Если такое смещение обнаруживается у множества далёких галактик, можно сравнить их скорости удаления и расстояния.
4. Общая закономерность удаления галактик показывает, что расширяется само пространство Вселенной.

Ответ: галактика удаляется, а красное смещение служит одним из главных наблюдательных подтверждений расширения Вселенной.

Типичные ошибки

Ошибка 1. Галактику называют скоплением только звёзд. Так происходит, когда забывают о газе, пыли и тёмной материи; проверить себя можно вопросом: какие компоненты, кроме звёзд, входят в определение?

Ошибка 2. Галактику путают со Вселенной. Галактика — одна связанная система среди огромного числа подобных объектов, а Вселенная включает все галактики, вещество и пространство; полезно мысленно ставить между этими словами отношение «часть — целое».

Ошибка 3. Считают, что все галактики спиральные, поскольку именно так часто изображают Млечный Путь. Перед ответом нужно проверить форму: существуют также эллиптические и неправильные галактики.

Ошибка 4. Красное смещение принимают за простое изменение цвета галактики. На самом деле смещаются спектральные линии, а вывод об удалении делают по их положению; проверить себя можно, назвав не цвет, а направление смещения по длинам волн.

Связь с другими темами

Для понимания темы нужны знания о строении Солнечной системы, свойствах света и спектра, расстоянии и единицах измерения. С темой о звёздах и Млечном Пути галактики связаны напрямую: они состоят из звёздных систем и межзвёздного вещества. Дальше эти знания пригодятся при изучении строения и эволюции Вселенной, закона Хаббла и космологических наблюдений.

Что запомнить

• Галактика — гравитационно связанная система звёзд, газа, пыли и тёмной материи.
• Солнечная система находится в галактике Млечный Путь.
• Основные типы галактик по форме — спиральные, эллиптические и неправильные.
• Световой год — единица расстояния, а не времени.
• Чем дальше галактика, тем более далёкое прошлое Вселенной мы наблюдаем.
• Красное смещение далёких галактик свидетельствует об их удалении.
• Наблюдение красного смещения связано с выводом о расширении Вселенной.