29. ЗВЕЗДНЫЕ СИСТЕМЫ — ГАЛАКТИКИ. МЕТАГАЛАКТИКА

1. Нормальные галактики.

Гершель в XVIII в. открыл и занес в каталоги тысячи наблюдаемых на небе туманных пятен (туманностей). У многих из них впоследствии была обнаружена спиральная структура.

Американский астроном Хаббл в XX в. получил фотографии туманности в созвездии Андромеды, на которых было видно, что

Рис. 100. Спиральная галактика М31 в созвездии Андромеды и ее спутник — малая эллиптическая галактика (справа). (см. скан)

это туманное пятно состоит из множества звезд (рис. 100). Он обнаружил в туманности вспышки новых звезд, рассеянные и шаровые скопления и цефеиды. Определив периоды переменности и видимую звездную величину этих цефеид, Хаббл установил, что все они находятся очень далеко за пределами нашей Галактики. Таким образом

Рис. 101. Спиральная галактика М33 в созвездии Треугольника, видимая почти плашмя. Ее ярчайшие звезды в спиральных ветвях расположены менее тесно, чем в М31, и поэтому заметнее.

вся спиральная туманность в созвездии Андромеды находится вне пределов нашей Галактики и уже этим отличается от газовых и пылевых туманностей нашей звездной системы. Зная расстояние до этой туманности и ее угловой диаметр, легко вычислить его в линейных единицах (см. § 12, рис. 38).

Оказалось, что спиральная туманность в созвездии Андромеды — огромная звездная система, примерно такая же, как и наша Галактика. Мы знаем теперь, что расстояние до нее 2 млн. световых лет. В ней есть газовые и пылевые туманности, как и в нашей Галактике. Вследствие того что галактику в созвездии Андромеды мы видим под некоторым углом к ее оси, она имеет продолговатую форму. Галактика в созвездии Треугольника тоже спиральная, менее наклонена к лучу зрения и имеет поэтому иной вид (рис. 101).

Астрономы нашли великое множество гигантских звездных систем за пределами нашей Галактики, им дали нарицательное название галактик в отличие от нашей Галактики.

Хаббл выяснил, что в спектрах галактик, расстояния до которых были оценены по видимой яркости их ярчайших звезд, линии смещены к красному концу спектра. Это красное смещение возрастает пропорционально расстоянию до галактики (рис. 102). В соответствии с эффектом Доплера — Физо (см. § 13), красное смещение означает удаление источника от наблюдателя. Скорость удаления пропорциональна величине смещения, поэтому красное смещение

можно выразить в единицах скорости (км/с). Наблюдаемая пропорциональность между расстоянием до галактик и скоростью носит название закона Хаббла:

Коэффициент пропорциональности Я называют постоянной Хаббла. Установлено, что величина постоянной Хаббла Н составляет примерно т. е. на каждый миллион парсеков скорость удаления возрастает на 100 км/с. Поэтому расстояние до далекой галактики можно определить по величине красного смещения линий в ее спектре:

где — скорость, определенная по красному смещению. Если, например, сдвиг линии спектра соответствует 10000 км/с, то до галактики 100 Мпк, т. е. 100 млн. пк. Этот способ используется в тех случаях, когда в далеких галактиках цефеиды или даже ярчайшие сверхгиганты не видны.

По своему внешнему виду галактики делятся на спиральные, неправильные и эллиптические. Большинство наблюдаемых галактик — спиральные. Наша Галактика и галактика в созвездии Андромеды относятся к числу спиральных галактик очень большого размера. Все спиральные галактики вращаются с периодами в несколько сот миллионов лет. Массы их составляют 10й масс Солнца.

Ветви спиральных галактик, как и у нашей Галактики, состоят из горячих звезд, цефеид, сверхгигантов, рассеянных звездных скоплений и газовых туманностей. Радиотелескопы обнаруживают в спиральных галактиках нейтральный водород в количестве до 10% от массы галактики. Есть в галактиках и пыль. Ее присутствие особенно хорошо заметно в тех из них, которые повернуты к нам ребром, поэтому похожи на веретено или чечевицу (рис. 103). Вдоль них проходит темная полоса — скопление пылевых туманностей — в экваториальной плоскости.

Во время экспедиции Магеллана в XVI в. наблюдаемые в южном полушарии неба два больших звездных облака назвали Большим и Малым Магеллановыми Облаками (рис. 104). Эти галактики по их бесформенному виду относят к типу неправильных. Они являются спутниками нашей Галактики. Расстояние до них около 150 000 световых лет. Их звездный состав такой же, как и у ветвей спиральных галактик, а ядра нет. Неправильные галактики (рис. 105, а) значительно меньше спиральных и встречаются редко.

Эллиптические галактики наблюдаются часто. По виду они похожи на шаровые звездные скопления (рис. 105, б), но гораздо

(кликните для просмотра скана)

Рис. 104. Большое Магелланово Облако — ближайшая к нам галактика. Относится к типу неправильных галактик.

больше их по размерам. Они вращаются крайне медленно и потому почти не сплюснуты в отличие от быстро вращающихся спиральных галактик (рис. 105, в). Эллиптические галактики не содержат ни звезд-сверхгигантов, ни темных, или светлых диффузных туманностей.

Разнообразны светимости галактик.

У гигантских галактик абсолютная звездная величина около —21. Существуют галактики-карлики, в тысячи раз более слабые, с абсолютной звездной величиной около —13.

Академик В. А. Амбарцумян первым показал, что в центральных областях многих спиральных и эллиптических галактик — их ядрах — происходят взрывоподобные явления, сопровождающиеся выделением очень большого количества энергии.

Мир галактик так же разнообразен, как и мир звезд.

(см. скан)

2. Радиогалактики и квазары.

Галактики излучают радиоволны. Радиоизлучение исходит от нейтрального водорода на длине волны 21 см, а также от ионизованного горячего водорода в светлых

туманностях. Кроме того, галактики служат источниками нетеплового (синхротронного) радиоизлучения, происходящего от торможения очень быстрых электронов магнитным полем галактик. Радиогалактики отличаются очень мощным синхротронным излучением. Замечательно, что чаще всего радиогалактика имеет два очага радиоизлучения, расположенные по обе стороны от оптически видимой галактики.

На месте некоторых радиоисточников нашли объекты, неотличимые на фотографиях от очень слабых звезд. В их спектре имеются яркие линии со значительным красным смещением. В некоторых случаях это линии, обычно наблюдаемые в ультрафиолетовой области спектра, смещенные в его видимую часть. Красное смещение их так велико, что ему соответствуют расстояния в миллиарды световых лет. Эти объекты, названные квазизвездными (звездоподобными) источниками радиоизлучения или квазарами, являются самыми далекими небесными телами, расстояние до которых удалось определить. Ярчайший из квазаров выглядит как звезда 13-й звездной величины, но по светимости квазары оказываются в сотни раз ярче, чем гигантские галактики. Остается неясным происхождение колоссальных потоков энергии, излучаемой ими в виде света и в виде радиоволн. Наблюдения свидетельствуют, что квазары сходны по своей природе с активными ядрами галактик и, вероятно, являются ядрами очень далеких звездных систем.

Рис. 105. Основные типы галактик (масштабы фотографий различны): а — неправильная; б — эллиптическая; в — спиральная.

3. Метагалактика и космология.

Галактики, подобно звездам, бывают двойными, кратными, образуют группы и скопления. Большинство галактик сосредоточено в скоплениях (рис. 106). Скопления галактик, как и скопления звезд, бывают рассеянными и шарообразными и содержат десятки, иногда тысячи членов. Ближайшее к нам скопление галактик находится в созвездии Девы на расстоянии около 20 млн. пк (20 Мпк).

Наблюдениям доступно гигантское количество галактик.

Самый большой каталог (составленный в СССР) содержит 30000 галактик ярче 15-й звездной величины.

При помощи сильного телескопа можно сфотографировать много миллионов галактик до 22—23-й звездной величины, из которых самые далекие с трудом отличимы от слабых звезд и отстоят от нас на несколько миллиардов световых лет. Распределение скоплений галактик в пространстве, по-видимому, равномерно, и нет признаков уменьшения плотности распределения скоплений на больших расстояниях.

Вся наблюдаемая система галактик и их скоплений называется Метагалактикой. Чтобы яснее представить себе масштабы Вселенной, рассмотрите внимательно рисунок 107.

В Метагалактике действует закон красного смещения Хаббла, и признано, что это смещение действительно отражает движение

Рис. 106. Часть скопления галактик в созвездии Девы. (см. скан)

(кликните для просмотра скана)

галактик. А это означает, что галактики удаляются от нас (и друг от друга) во все стороны, и тем быстрее, чем они от нас дальше. Этот процесс захватывает всю наблюдаемую часть Вселенной, а возможно, и всю Вселенную, и потому его назвали расширением Вселенной. На возможность расширения Вселенной впервые указал в своих теоретических работах советский ученый А. А. Фридман на основании общей теории относительности А. Эйнштейна. Сделано это было за несколько лет до открытия закона Хаббла.

Наука, которая изучает Вселенную, рассматривая ее как единое целое, а Метагалактику — как часть безграничной Вселенной, называется космологией. Большинство существующих космологических теорий базируется на общей теории относительности. Один из выводов этой теории заключается в том, что массивные небесные тела меняют свойства окружающего пространства, «искривляют» его, делая не совсем точными для него аксиомы и теоремы евклидовой геометрии. Совокупное действие всех тел Вселенной приводит к появлению кривизны пространства, которую можно измерить, наблюдая очень далекие объекты. Она очень мала и известна еще недостаточно точно.

В космологии широко используется метод моделирования, ученые ищут теоретические модели Вселенной, которые бы наглядно представляли наблюдаемые явления. Реальная Вселенная, как оказалось, хорошо описывается моделями расширяющейся Вселенной, в которой средняя кривизна пространства медленно уменьшается со временем.

Расширение Вселенной говорит о том, что раньше галактики были в среднем ближе друг к другу, чем сейчас, а около 10—15 млрд. лет назад средняя плотность материи во Вселенной, по-видимому, была такой высокой, что вещество в ней не могло существовать в форме звезд и галактик. Оно представляло собой плотный и быстро расширяющийся газ, состоящий в основном из водорода и гелия. Из этого газа потом и возникли галактики и звезды.

Что представляла собой Вселенная до начала расширения, на самых ранних его этапах, и сменится ли в будущем расширение сжатием? Это очень сложные вопросы, над решением которых ученые работают сейчас.

Идеалисты и богословы спешат воспользоваться тем, что природа указанного явления пока еще не изучена. Они торопятся сделать угодный религии вывод о том, что начало расширения Вселенной порождено было сверхъестественным, «божественным актом». Такое заявление является ничем не обоснованной выдумкой. Она нужна противникам материализма для якобы научного подтверждения библейской легенды о сотворении мира. Однако все огромное многообразие качественных изменений материи, наблюдаемых в процессе расширения Метагалактики, происходит без нарушения законов сохранения и не требует никаких сверхъестественных сил. Открытие эволюции нашей Метагалактики представляет

грандиозную победу человеческого разума. Это достижение означает проникновение человека в глубь мироздания, в его далекое прошлое и разбивает миф об ограниченности человеческого познания.

Раздел астрономии, занимающийся вопросами происхождения и развития небесных тел, называется космогонией.

Материалистическая космогония считает бессмысленным вопрос о начале мира и о происхождении Вселенной. Весь опыт человечества показывает, что материя несозидаема и неуничтожаема. Она лишь меняет форму своего существования. Закон сохранения вещества и закон сохранения и превращения энергии лежат в основе научной космогонии. Космогония опирается не только на всю совокупность наук о природе, но и на философию.

Основная трудность решения вопросов космогонии состоит в том, что небесные тела развиваются и меняются чрезвычайно медленно. В сравнении с возрастом науки возраст небесных тел необычайно велик. Земля существует около лет, а есть светила еще более старые, хотя известны и совсем молодые.