§ 30. Галактики

Определения и обозначения

Галактика — гигантская гравитационно связанная система звёзд, газа, пыли и тёмного вещества. Гравитационно связанная означает, что взаимное притяжение не даёт этим компонентам разлететься. Это понятие нужно, чтобы отличать галактику от случайного скопления отдельных небесных тел.

Млечный Путь — галактика, в которой находится Солнечная система. С Земли её часть видна как светлая полоса, потому что мы смотрим вдоль плотного звёздного диска. Знание этого названия помогает не путать нашу Галактику с наблюдаемой полосой света на небе.

Типы галактик — основные разновидности галактик, выделяемые по форме и строению. К ним относят спиральные, эллиптические и неправильные галактики. Такая классификация позволяет по внешнему виду предположить состав галактики и особенности рождения в ней звёзд.

Скопление галактик — объединение галактик, связанных взаимным притяжением. В одном скоплении могут находиться десятки, сотни и даже тысячи галактик, а между ними — разреженный газ. Это понятие показывает, что галактики тоже образуют крупные системы, а не распределены во Вселенной полностью независимо.

Как это устроено

Сила тяготения удерживает звёзды, газ и пыль внутри галактики, потому что каждое тело притягивается всей её массой. Если бы притяжения не было, движение звёзд и облаков постепенно разнесло бы их в пространстве. Звёзды не падают в центр, поскольку одновременно движутся по орбитам, подобно планетам вокруг Солнца, но в гораздо более сложной общей системе.

В галактику входят звёзды, межзвёздный газ и пыль, а также тёмное вещество. Газ и пыль образуют облака, из которых могут возникать новые звёзды, а звёзды дают свет и большую часть наблюдаемого излучения. Основная масса галактики может быть связана с тёмным веществом: его не видно напрямую, но его присутствие обнаруживают по дополнительному тяготению и скоростям движения звёзд.

Спиральная галактика обычно состоит из центрального ядра или яркого утолщения, плоского диска, спиральных рукавов и гало. В диске вращаются звёзды, газ и пыль, а рукава заметны благодаря ярким молодым звёздам и облакам вещества. Гало окружает диск и содержит старые звёзды, шаровые скопления и значительную область тёмного вещества.

Спиральные галактики имеют плоский вращающийся диск и много газа с пылью, поэтому в них часто активно образуются новые звёзды. Эллиптические галактики выглядят округлыми или вытянутыми, почти не имеют холодного газа и состоят преимущественно из старых звёзд. Неправильные галактики не обладают чёткой симметричной формой; их необычный вид может быть связан со столкновениями или сильным гравитационным воздействием соседей.

Огромные размеры галактик и расстояния до них определяют по угловым размерам, яркости, спектрам и движению объектов. Свет от далёкой галактики идёт до Земли миллионы и миллиарды лет, поэтому телескоп показывает не её нынешнее состояние, а прошлое. Чем дальше галактика, тем более ранний этап её развития мы наблюдаем.

Сравнение основных типов галактик

Таблица помогает быстро сопоставить галактики по внешнему виду и физическим свойствам. Сначала определяют форму, затем обращают внимание на газ, пыль и наличие молодых звёзд. Эти признаки связаны между собой: большое количество холодного газа обычно поддерживает активное звёздообразование.

Разбор задач

Задача 1

Условие. Галактика имеет плоский диск, яркое центральное утолщение и спиральные рукава. К какому типу она относится? Нужно определить тип по внешнему строению, не вычисляя никаких величин.

Решение. Перечисленные признаки описывают характерную структуру галактики, поэтому достаточно сопоставить их с классификацией.

1. Плоский диск показывает, что вещество галактики вращается и сосредоточено в дисковой области.
2. Центральное утолщение и спиральные рукава являются отличительными частями спиральной галактики.
3. Эллиптические галактики рукавов не имеют, а неправильные не обладают такой упорядоченной формой.

Ответ: галактика относится к спиральному типу.

Задача 2

Условие. Сравните Млечный Путь и эллиптическую галактику по форме, наличию газа и пыли и темпам образования новых звёзд. Млечный Путь рассматриваем как типичную спиральную галактику. Требуется назвать различия и объяснить их связь.

Решение. Сначала сравним форму: у Млечного Пути есть диск и рукава, а эллиптическая галактика выглядит округлой или вытянутой. Затем сравним состав: в спиральной галактике больше холодного газа и пыли, из которых образуются новые звёзды, тогда как в эллиптической их мало. Поэтому в Млечном Пути звёздообразование обычно идёт активнее, особенно в спиральных рукавах.

Ответ: Млечный Путь имеет спиральную форму, больше газа и пыли и более высокую активность образования новых звёзд; эллиптическая галактика округлая или вытянутая, бедна холодным газом и в основном содержит старые звёзды.

Задача 3

Условие. Свет от далёкой галактики шёл до Земли 500 миллионов лет. Что можно узнать по этому наблюдению о состоянии галактики в момент излучения света? Нужно учесть конечную скорость распространения света.

Решение. Свет переносит информацию о том, какой была галактика при его испускании. Пока фотон преодолевал расстояние, галактика могла изменить яркость, форму, состав газа и темпы рождения звёзд. Поэтому телескоп регистрирует не её состояние сегодня, а состояние 500 миллионов лет назад.

1. Определяем время распространения: 500 миллионов лет.
2. Считаем, что наблюдаемый свет покинул галактику именно в тот момент.
3. Делаем вывод о прошлом состоянии, а не о текущем виде галактики.

Ответ: мы видим галактику такой, какой она была 500 миллионов лет назад; по её свету можно изучать её прежний состав, яркость и процессы звёздообразования.

Типичные ошибки

Ошибка: считать галактику скоплением только звёзд, забывая о газе, пыли и тёмном веществе. Так происходит, потому что звёзды заметнее остальных компонентов на фотографиях. Проверка простая: в определении должны присутствовать не только звёзды, но и межзвёздное вещество с тёмным веществом.

Ошибка: путать Млечный Путь со всей Вселенной или с Солнечной системой. Солнечная система — небольшая система внутри Млечного Пути, а Вселенная включает множество галактик и всё пространство. Чтобы проверить себя, расположите объекты по масштабу: Солнечная система, галактика, скопления галактик, Вселенная.

Ошибка: считать, что все галактики имеют спиральную форму, поскольку такой является наша Галактика. Млечный Путь — только один пример, а существуют также эллиптические и неправильные галактики. Проверьте ответ по форме: есть ли рукава и диск или объект выглядит округлым либо несимметричным.

Ошибка: путать видимый размер галактики на небе с её действительными размерами и расстоянием до неё. Маленькое угловое изображение может принадлежать очень большой, но далёкой галактике. Для проверки учитывают не только видимый размер, но и яркость, спектр и другие способы определения расстояния.

Связь с другими темами

Для изучения галактик нужны сила всемирного тяготения, сведения о Солнечной системе, свойства света и понятие светового года. Дальше эта тема связывается со строением Вселенной, её расширением и законом Хаббла. По спектрам и яркости галактик астрономы определяют их состав, движение и расстояние, поэтому тема напрямую связана с наблюдательной астрономией.

Что запомнить

• Галактика — гравитационно связанная система звёзд, газа, пыли и тёмного вещества.
• Солнечная система находится в галактике Млечный Путь.
• Основные типы галактик — спиральные, эллиптические и неправильные.
• У спиральной галактики есть ядро, диск, спиральные рукава и гало.
• В спиральных галактиках обычно больше газа и активнее образуются новые звёзды.
• Эллиптические галактики имеют округлую или эллипсоидальную форму и мало холодного газа.
• Наблюдая далёкие галактики, мы видим их такими, какими они были в прошлом.