Учебник для 11 класса

Астрономия

§ 15. Строение Вселенной

Изучив этот параграф, мы узнаем:

• о строении Галактики — звездной системы, где мы находимся;
• какими были другие галактики 10 млрд лет назад;
• имеет ли Вселенная границу в пространстве.

Строение Галактики

Звезды в Галактике образуют определенные системы, которые длительное время существуют в общем гравитационном поле. Большинство звезд движется в двойных и кратных системах, в которых компоненты обращаются вокруг общего центра масс подобно обращению планет Солнечной системы. Многочисленные системы объединения звезд насчитывают сотни тысяч объектов — это звездные скопления и ассоциации. Шаровые звездные скопления состоят из миллионов звезд (рис. 15.1). Рассеянные звездные скопления имеют несколько тысяч объектов (самые яркие из них Плеяды (Стожары; рис. 14.2) и Гиады видны невооруженным глазом в созвездии Тельца). В звездные ассоциациивходят относительно молодые звезды, которые имеют общее происхождение.

Рис. 15.1. Шаровое звездное скопление в созвездии Геркулес: расстояние — 16000 св. лет, диаметр — 75 св. лет, количество звезд — 10⁶

Галактику часто изображают как звездную систему в виде гигантского блина, в котором звезды движутся в одной плоскости. На самом деле Галактика имеет сферическую форму с диаметром почти 300000 св. лет, но большинство звезд большой светимости находится примерно в одной плоскости, поэтому их видно на небе как туманную светлую полосу, которую в Украине называют Чумацкий Шлях. Название Галактика пришло из Древней Греции и в переводе означает Млечный Путь (см. § 1). Обратите внимание, что все яркие звезды (созвездие Орион, Лебедь, Лира, Орел) находятся в полосе Млечного Пути. В этой плоскости располагается значительная часть газопылевых туманностей (рис. 15.2), из которых образуются новые поколения звезд и планет.

Рис. 15.2. Газопылевая туманность Трифид в созвездии Стрельца

Все эти объекты формируют так называемую плоскую составляющую Галактики, в которую входит и Солнечная система (рис. 15.3). Старые звезды малой светимости, входящие в шаровые скопления, относятся к сферической составляющей Галактики. По химическому составу звезды шаровых скоплений содержат в сотни раз меньше тяжелых химических элементов, чем Солнце, потому что это звезды первого поколения, которые сформировались одновременно с образованием Галактики еще 10—15 млрд лет назад. Зарождение новых звезд и планетных систем сейчас происходит только в плоскости Галактики, где газопылевые туманности образуются после взрыва Новых и Сверхновых звезд.

Рис. 15.3. Строение Галактики. В плоскости Галактики существуют газопылевые туманности, в которых рождаются молодые звезды и планетные системы

Центр Галактики

Центр Галактики находится в направлении созвездия Стрельца, но эта область спрятана от нас огромными облаками пыли, которые поглощают излучение в видимой части спектра (рис. 15.4). В центре Галактики находится ядро диаметром 1000—2000 пк. Существует гипотеза, что в ядре Галактики располагается черная дыра с массой в миллионы раз большей, чем масса Солнца.

Рис. 15.4. Центр галактики, который виден в направлении созвездия Стрельца

В центре Галактики вблизи ядра существует своеобразная выпуклость — округлый выступ, где концентрируются звезды и облака горячего газа, которые находятся от нас на расстоянии почти 10000 пк. Эти облака окружают центр Галактики густым покрывалом, поэтому с помощью оптических телескопов непосредственно наблюдать ее ядро мы не можем. Только с помощью радиотелескопов и телескопов инфракрасного и рентгеновского диапазонов удается зарегистрировать интенсивное излучение центра (ядра) Галактики.

Обращение звезд в Галактике

Солнце расположено вблизи плоскости Галактики на расстоянии 25000 св. лет от ее ядра. Вектор скорости Солнца относительно ближайших звезд направлен к созвездию Геркулес. Вместе со всеми соседними звездами Солнце обращается вокруг ядра Галактики со скоростью 250 км/с. Период обращения Солнца вокруг ядра называется галактическим годом и равен 250 000 000 земных лет. Анализ скорости обращения звезд свидетельствует о существенном отличии между поведением объектов в сферической и плоской составляющих Галактики. Если звезды плоской составляющей обращаются вокруг центра Галактики вблизи одной плоскости, то звезды сферической составляющей объединены в огромные шаровые скопления, которые обращаются вокруг центра по вытянутым орбитам в разных плоскостях. К тому же, период обращения этих скоплений показывает, что значительная масса Галактики распределена именно в сферической составляющей. Это могут быть объекты малой массы, которые не излучают энергию в видимой части спектра, либо черные дыры малой массы (рис. 15.5).

Рис. 15.5. Обращение звезд в Галактике

Одной из тайн Галактики являются так называемые спиральные рукава, которые зарождаются где-то в ее центре. Солнце находится на периферии одного из таких рукавов, который закручен в плоскости галактического диска. Астрономы считают, что спиральные рукава возникают как спиральные волны плотности, которые создаются при сжатии облаков межзвездного газа на начальном этапе формирования звезд (см. § 14). В свою очередь, при возникновении звезд в межзвездных облаках газа и пыли возникают ударные волны, что приводит к образованию молодых звезд. Когда массивные звезды вспыхивают как Сверхновые, то образуются новые туманности и новые ударные волны, которые распространяются в межзвездном пространстве. То есть формирование одной группы звезд обеспечивает создание механизма для образования нового поколения звезд. Этот процесс иногда называют формированием звезд при помощи саморазмножения.

Ближайшие соседи Галактики

Наблюдая другие галактики, астрономы обратили внимание на то, что не все они имеют спиральную структуру. Существуют три типа галактик — спиральные, эллиптические и неправильные. Наша Галактика, так же как и галактика в созвездии Андромеды М31, относится к типу спиральных. Они имеют схожий вид, почти одинаковые размеры и примерно одинаковое количество звезд. Галактика М31 находится на расстоянии 2 млн св. лет от Земли — это самый дальний объект во Вселенной, который еще можно наблюдать невооруженным глазом (рис. 15.6). Ближайшие к нам галактики, Большое и Малое Магеллановы Облака (БМО, ММО), можно увидеть на небе Южного полушария.

Рис. 15.6. Галактику М31 в созвездии Андромеды видно невооруженным глазом — она находится на расстоянии 2300 тыс. св. лет

В спиральных рукавах галактик сейчас происходит интенсивное рождение молодых звезд и формирование планетных систем, в то время как в эллиптических галактиках больше старых желтых и красных звезд. Возможно, что в эллиптических галактиках процесс образования звезд уже закончился.

Распределение галактик во Вселенной

Наблюдая гравитационное взаимодействие планет и звезд, астрономы обратили внимание на своеобразную иерархическую структуру движения космических тел.

1. Планеты и их спутники, обращающиеся вокруг своей звезды.
2. Звездные скопления, насчитывающие тысячи и даже миллионы объектов.
3. Галактики, которые объединяют в общее гравитационное поле сотни миллиардов звезд, обращающихся вокруг одного ядра.
4. Скопление галактик, насчитывающих миллионы объектов.

Наша Галактика и галактика М31 входят в Местную группу галактик. Наибольшие скопления галактик наблюдаются в созвездиях Дева и Волосы Вероники (рис. 15.7). В этом направлении астрономы открыли своеобразную Великую стену, где на расстоянии 500 млн св. лет наблюдается значительное увеличение количества галактик по сравнению с другими направлениями.

Рис. 15.7. Скопление галактик в созвездии Волосы Вероники

Отдельные галактики взаимодействуют между собой, происходят даже их столкновения, когда одна галактика поглощает другую,— наблюдается своеобразный галактический «каннибализм» (рис. 15.8). На последней, четвертой, ступени иерархической структуры скопления галактик почти не взаимодействуют между собой, поэтому не выявлено ни одного общего центра, вокруг которого могли бы обращаться миллионы галактик.

Рис. 15.8. Столкновение галактик

Еще одной характерной чертой распределения галактик в пространстве является то, что они размещены во Вселенной в большом масштабе не хаотично, а образуют очень странные структуры, напоминающие огромные сетки из волокон. Эти волокна окружают гигантские, относительно пустые области — пустоты. Некоторые пустоты имеют диаметр 300 млн св. лет. Вероятным объяснением волокнистой структуры Вселенной является то, что галактики в пространстве расположены на поверхности огромных пузырей, а пустоты являются их внутренней областью. С поверхности Земли нам кажется, что галактики расположены подобно ожерельям, которые нанизаны на волокна, потому что мы их видим на оболочках огромных космических пузырей (рис. 15.9).

Рис. 15.9. Волокнистая структура Вселенной. Галактики расположены на поверхности огромных пузырей, а мы их видим в виде ожерелья

Закон Хаббла

В 1929 г. американский астроном Э. Хаббл исследовал спектры галактик и обратил внимание на то, что линии поглощения во всех спектрах смещены в красную сторону. Согласно эффекту Доплера, это свидетельствует о том, что все галактики от нас удаляются. Кроме того, по величине смещения спектральных линий можно определить скорость, с которой они удаляются. Оказалось, что скорость, с которой «убегают» от нас другие галактики, увеличивается прямо пропорционально расстоянию до этих галактик (закон Хаббла): V = Нr, где V — скорость галактики, Н — постоянная Хаббла, r — расстояние до галактики в мегапарсеках. По последним измерениям Н~70км/(с.Мпк).

Для любознательных

По закону Хаббла, если известно смещение спектральных линий, то можно определить скорость галактики, а следовательно, и расстояние до нее. Самый удаленный объект, который удалось зарегистрировать, находится на расстоянии 14 млрд св. лет и имеет скорость 280000 км/с. То есть мы его видим в то время, когда еще не было не только нашей Земли и Солнца, но даже нашей Галактики. На первый взгляд, кажется, что наша Галактика находится в центре этого расширения, но оказывается, что никакого центра у Вселенной не существует. Житель любой другой галактики будет наблюдать такое же расширение, поэтому он может считать, что его галактика тоже находится в центре Вселенной.

Модели Вселенной

Для построения модели Вселенной необходимо ответить на вопрос: «Имеет ли Вселенная какую-то границу в пространстве?». Бесконечная и безграничная в пространстве и времени Вселенная привлекает к себе внимание тем, что она не имеет краев и содержит бесконечное количество звезд и галактик. Но в такой вечной и бесконечной Вселенной возникают противоречия, которые в астрономии называют космологическими парадоксами. Существует три космологических парадокса: фотометрический, гравитационный и «теплой смерти» Вселенной.

Мы рассмотрим только фотометрический парадокс, который был сформулирован в 1744 г. швейцарским астрономом Ж. Шезо и дополнен немецким астрономом И. Ольберсом в 1826 г. Кратко суть этого парадокса можно выразить следующим вопросом: «Если Вселенная бесконечна, то почему ночью темно?» Кажется, что на него сможет ответить каждый ученик, ведь смену дня и ночи изучают в начальной школе. Но надо помнить, что над ночной поверхностью Земли светит множество звезд безграничной Вселенной, которые излучают бесконечное количество энергии, поэтому освещения звезд и галактик должно быть не меньше освещения, создаваемого Солнцем. Но по собственному наблюдению мы видим, что ночью небо гораздо темнее, чем днем. Математики предложили такую модель Вселенной, в которой можно опровергнуть фотометрический парадокс. Вселенная может быть безграничной, но конечной. В одномерном пространстве такой безграничный конечный мир — это обычная окружность или любая другая замкнутая кривая (рис. 15.10).

Рис. 15.10. Окружность может служить моделью безграничного одномерного мира, который имеет конечную длину. В таком пространстве можно совершить кругосветное путешествие и вернуться на место старта

Закрытое двумерное пространство — поверхность сферы, которая не имеет границ, но площадь поверхности сферы является конечной величиной (рис. 15.11).

Рис. 15.11. Сфера может быть моделью двумерного безграничного мира, который имеет конечную площадь. В таком пространстве тоже можно совершить кругосветное путешествие — так Магеллан доказал, что поверхность Земли не имеет предела

Мы живем в трехмерном пространстве, и трудно представить себе такую закрытую Вселенную, которая не имеет границы, но имеет конечный объем и, следовательно, ограниченное количество звезд и галактик. В такой Вселенной нет центра, все точки в ней равноправны и во всех направлениях пространство однородно. На практике трудно проверить, в каком пространстве обитают некие существа, и узнать, является ли пространство конечным. Если пространство закрыто, то путешественник, передвигаясь в одном направлении, может совершить кругосветное путешествие и вернуться в точку старта. В истории земной цивилизации первое такое путешествие совершил Магеллан (1480—1521), который доказал, что поверхность Земли является закрытым двумерным пространством.

В трехмерной Вселенной космонавты никогда не смогут завершить такое кругосветное путешествие, поэтому проверку можно сделать только с помощью теоретических рассуждений, которые мы рассмотрим в следующем параграфе.

Выводы

Вселенная имеет сложную ячеистую структуру, в которой происходит гравитационное взаимодействие всех космических тел. Вокруг звезд обращаются другие звезды и планеты. Кроме того, звезды образуют огромные скопления, насчитывающие сотни тысяч и миллионы объектов. В общем поле тяготения галактик находятся уже сотни миллиардов звезд, которые обращаются вокруг общего центра. Галактики тоже образуют отдельные скопления, которые размещены в большом масштабе не хаотично, а образуют очень странные структуры, напоминающие огромные сетки из волокон. Мы живем во Вселенной, которая расширяется в безграничном пространстве.

Тесты

1. Слово «галактика» в переводе с греческого языка означает:
   А. Млечный Путь.
   Б. Серебристый путь.
   В. Черный путь.
   Г. Большая дорога.
   Д. Чумацкий Шлях.
2. Что находится в центре Галактики?
   А. Звездное скопление.
   Б. Черная дыра.
   В. Красный гигант.
   Г. Белый карлик.
   Д. Черная туча.
3. Галактический год определяет:
   А. Период вращения Галактики вокруг оси.
   Б. Период обращения Солнца вокруг центра Галактики.
   В. Расстояние, которое пролетает свет до галактики в созвездии Андрдмеды.
   Г. Период обращения Галактики вокруг центра мира.
   Д. Период обращения звезд по сферической составляющей вокруг центра Галактики.
4. Термин «Великая стена» в астрономии означает:
   А. Зарождение новых звезд и планетных систем.
   Б. Огромное скопление галактик в направлении созвездий Девы и Волосы Вероники.
   В. Оборонительные сооружения, которые создали галактические цивилизации.
   Г. Скопление газа и пыли в межгалактическом пространстве.
   Д. Скопление неизвестного темного вещества, поглощающего свет далеких галактик.
5. Согласно закону Хаббла, все галактики разлетаются в разных направлениях. Что находится в центре этого расширения?
   А. Земля.
   Б. Наша Галактика.
   В. Галактика М31 в созвездии Андромеды.
   Г. Скопление галактик в созвездии Девы.
   Д. Центра не существует, поскольку в безграничной Вселенной отсутствуют центр и окраины.
6. Какие звезды входят в плоскую составляющую Галактики?
7. Какие структуры имеют галактики?
8. Как при помощи закона Хаббла можно измерить расстояние до галактик?
9. Могут ли происходить столкновения галактик?
10. Вычислите, с какой скоростью удаляется от нас галактика, если свет от нее летит к Земле 4.108 л.

Диспуты на предложенные темы

11. Как, по вашему мнению, можно было бы объяснить фотометрический парадокс безграничной и бесконечной Вселенной: «Если Вселенная бесконечна, то почему ночью темно?»

Задания для наблюдений

12. Определите, через какие созвездия проходит Млечный Путь.
13. Отыщите, в каком направлении находится центр Галактики. В какое время восходит и заходит центр Галактики в день вашего рождения?
14. Найдите на небе Туманность Андромеды (галактика в созвездии Андромеды). В какое время года эту галактику видно всю ночь?

Ключевые понятия и термины:

Великая стена, галактическое ядро, галактический год, звездные скопления, разлет галактик, спиральные галактики, постоянная Хаббла.