Строение и эволюция галактик. Строение и эволюция звезд и планет

Поэт спрашивал: «Послушайте! Ведь, если звезды зажигают - значит - это кому-нибудь нужно?». Мы знаем, что звезды нужны, чтобы светить, и наше Солнце дает необходимую для нашего существования энергию. А зачем нужны галактики? Оказывается и галактики нужны, и Солнце не только обеспечивает нас энергией. Астрономические наблюдения показывают, что из ядер галактик происходит непрерывное истечение водорода. Таким образом, ядра галактик являются фабриками по производству основного строительного материала Вселенной - водорода.

Водород, атом которого состоит из одного протона в ядре и одного электрона на его орбите, является самым простым «кирпичиком», из которого в недрах звезд образуются в процессе атомных реакций более сложные атомы. Причем оказывается, что звезды совершенно не случайно имеют различную величину. Чем больше масса звезды, тем более сложные атомы синтезируются в ее недрах.

Наше Солнце как обычная звезда производит только гелий из водорода (который дают ядра галактик), очень массивные звезды производят углерод - главный «кирпичик» живого вещества. Вот для чего нужны галактики и звезды. А для чего нужна Земля? Она производит все необходимые вещества для существования жизни человека. А для чего существует человек? На этот вопрос не может ответить наука, но она может заставить нас еще раз задуматься над ним.

Если «зажигание» звезд кому-то нужно, то может и человек кому-то нужен? Научные данные помогают нам сформулировать представление о нашем предназначении, о смысле нашей жизни. Обращаться при ответе на эти вопросы к эволюции Вселенной - это значит мыслить космически. Естествознание учит мыслить космически, в то же время не отрываясь от реальности нашего бытия.

Вопрос об образовании и строении галактик - следующий важный вопрос происхождения Вселенной. Его изучает не только космология как наука о Вселенной - едином целом, но также и космогония (греч. «гонейа» означает рождение) - область науки, в которой изучается происхождение и развитие космических тел и их систем (различают планетную, звездную, галактическую космогонию).

Галактика представляет собой гигантские скопления звезд и их систем, имеющие свой центр (ядро) и различную, не только сферическую, но часто спиралевидную, эллиптическую, сплюснутую или вообще неправильную форму. Галактик - миллиарды, и в каждой из них насчитываются миллиарды звезд.

Наша галактика называется Млечный Путь и состоит из 150 млрд. звезд. Она состоит из ядра и нескольких спиральных ветвей. Ее размеры -100 тыс. световых лет. Большая часть звезд нашей галактики сосредоточена в гигантском «диске» толщиной около 1500 световых лет. На расстоянии около 30 тыс. световых лет от центра галактики расположено Солнце.

Ближайшая к нашей галактика (до которой световой луч бежит 2 млн. лет) - «туманность Андромеды». Она названа так потому, что именно в созвездии Андромеды в 1917 году был открыт первый внегалактический объект. Его принадлежность к другой галактике была доказана в 1923 году Э. Хабблом, нашедшим путем спектрального анализа в этом объекте звезды. Позже были обнаружены звезды и в других туманностях.

А в 1963 году были открыты квазары (квазизвездные радиоисточники) - самые мощные источники радиоизлучения во Вселенной со светимостью в сотни раз большей светимости галактик и размерами в десятки раз меньшими их. Было предположено, что квазары представляют собой ядра новых галактик и стало быть процесс образования галактик продолжается и поныне.

Астрономия и космонавтика

Звезды изучает астрономия (от греч. «астрон» - звезда и «номос» - закон) - наука о строении и развитии космических тел и их систем. Эта классическая наука переживает в XX веке свою вторую молодость в связи с бурным развитием техники наблюдений - основного своего метода исследований: телескопов-рефлекторов, приемников излучения (антенн) и т. п. В СССР в 1974 году вступил в действие в Ставропольском крае рефлектор с диаметром зеркала 6 м., собирающий света в миллионы раз больше, чем человеческий глаз.

В астрономии исследуются радиоволны, свет, инфракрасное, ультрафиолетовое, рентгеновское излучения и гамма-лучи. Астрономия делится на небесную механику, радиоастрономию, астрофизику и другие дисциплины.

Особое значение приобретает в настоящее время астрофизика - часть астрономии, изучающая физические и химические явления, происходящие в небесных телах, их системах и в космическом пространстве. В отличие от физики, в основе которой лежит эксперимент, астрофизика основывается главным образом на наблюдениях. Но во многих случаях условия, в которых находится вещество в небесных телах и системах отличается от доступных современным лабораториям (сверхвысокие и сверхнизкие плотности, высокая температура и т. д.). Благодаря этому астрофизические исследования приводят к открытию новых физических закономерностей.

Собственное значение астрофизики определяется тем, что в настоящее время основное внимание в релятивистской космологии переносится на физику Вселенной - состояние вещества и физические процессы, идущие на разных стадиях расширения Вселенной, включая наиболее ранние стадии.

Один из основных методов астрофизики-спектральный анализ. Если пропустить луч белого солнечного света через узкую щель, а затем сквозь стеклянную трехгранную призму, то он распадается на составляющие цвета, и на экране появится радужная цветовая полоска с постепенным переходом от красного к фиолетовому - непрерывный спектр. Красный конец спектра образован лучами, наименее отклоняющимися при прохождении через призму, фиолетовый - наиболее отклоняемыми. Каждому химическому элементу соответствуют вполне определенные спектральные линии, что и позволяет использовать данный метод для изучения веществ.

К сожалению, коротковолновые излучения - ультрафиолетовые, рентгеновские и гамма-лучи - не проходят сквозь атмосферу Земли, и здесь на помощь астрономам приходит наука, которая до недавнего времени рассматривалась как прежде всего техническая - космонавтика (от греч. «наутике»-искусство кораблевождения), обеспечивающая освоение космоса для нужд человечества с использованием летательных аппаратов.

Космонавтика изучает проблемы: теории космических полетов - расчеты траекторий и т. д.; научно-технические - конструирование космических ракет, двигателей, бортовых систем управления, пусковых сооружений, автоматических станций и пилотируемых кораблей, научных приборов, наземных систем управления полетами, служб траекторных измерений, телеметрии, организация и снабжение орбитальных станций и др.; медико-биологические - создание бортовых систем жизнеобеспечения, компенсация неблагоприятных явлений в человеческом организме, связанных с перегрузкой, невесомостью, радиацией и др.

История космонавтики начинается с теоретических расчетов выхода человека в неземное пространство, которые дал К. Э. Циолковский в труде «Исследование мировых пространств реактивными приборами» (1903 г.). Работы в области ракетной техники начаты в СССР в 1921 году. Первые запуски ракет на жидком топливе осуществлены в США в 1926 году.

Основными вехами в истории космонавтики стали запуск первого искусственного спутника Земли 4 октября 1957 года, первый полет человека в космос 12 апреля 1961 года, лунная экспедиция в 1969 году, создание орбитальных пилотируемых станций на околоземной орбите, запуск космического корабля многоразового использования.

Работы велись параллельно в СССР и США, но в последние годы наметилось объединение усилий в области исследования космического пространства. В 1995 году осуществлен совместный проект «Мир» - «Шаттл», в котором американские корабли «Шаттл» использовались для доставки космонавтов на российскую орбитальную станцию «Мир».

Возможность изучать на орбитальных станциях космическое излучение, которое задерживается атмосферой Земли, способствует существенному прогрессу в области астрофизики.

Тема 5

Строение и эволюция звезд и планет

Строение и эволюция звезд. Солнечная система и ее происхождение. Строение и эволюция Земли

Строение и эволюция звезд

Существуют две основные концепции происхождения небесных тел. Первая основывается на небулярной модели образования Солнечной системы, выдвинутой еще французским физиком и математиком Пьером Лапласом и развитой немецким философом Иммануилом Кантом. В соответствии с нею звезды и планеты образовались из рассеянного диффузного вещества (космической пыли) путем постепенного сжатия первоначальной туманности.

Принятие модели Большого Взрыва и расширяющейся Вселенной существенным образом повлияло и на модели образования небесных тел и привело к гипотезе Виктора Амбарцумяна о возникновении галактик, звезд и планетных систем из сверхплотного (состоящего из самых тяжелых элементарных частиц - гиперонов) дозвездного вещества, находящегося в ядрах галактик, путем его фрагментации.

Интерпретация небесных тел определяется тем, какую из двух гипотез считают истинной. Открытие В. Амбарцумяном звездных ассоциаций, состоящих из очень молодых звезд, стремящихся убежать друг от друга, было понято им как подтверждение гипотезы образования звезд из первоначального сверхплотного вещества. Какая из двух концепций ближе к истине, решит последующее развитие естествознания.

Модель расширяющейся Вселенной встретилась с несколькими трудностями, которые способствовали прогрессу астрономии. Разлетаясь после Большого Взрыва из точки с бесконечно большой плотностью, сгустки вещества должны слегка притормаживать друг друга силами взаимного притяжения, и скорость их должна падать. Но для торможения не хватает всей массы Вселенной. Из этого возражения родилась в 1939 году гипотеза о наличии во Вселенной так называемых «черных дыр», которые невозможно увидеть, но которые хранят 9/10 массы Вселенной (т. е. столько, сколько недостает).

Что представляют собой «черные дыры»? Если некоторая масса вещества оказывается в сравнительно небольшом объеме, критическом для данной массы, то под действием собственного тяготения такое вещество начинает неудержимо сжиматься. Происходит гравитационный коллапс. В результате сжатия растет концентрация массы и наступает момент, когда сила тяготения на поверхности становится столь велика, что для ее преодоления надо было бы развить скорость большую, чем скорость света. Поэтому «черная дыра» ничего не выпускает наружу и не отражает, и стало быть ее невозможно обнаружить. В «черной дыре» пространство искривляется, а время замедляется. Если сжатие продолжается дальше, тогда на каком-то его этапе начинаются незатухающие ядерные реакции. Сжатие прекращается, а затем происходит антиколлапсионный взрыв, и «черная дыра» превращается в «белую дыру». Предположено, что «черные дыры» находятся в ядрах галактик, являясь сверхмощным источником энергии.

Все небесные тела можно разделить на испускающие энергию - звезды, и не испускающие-планеты, кометы, метеориты, космическую пыль. Энергия звезд генерируется в их недрах ядерными процессами при температурах, достигающих десятки миллионов градусов, что сопровождается выделением особых частиц огромной проницающей способности - нейтрино.

Звезды - это фабрики по производству химических элементов и источники света и жизни. Тем самым решаются сразу несколько задач. Звезды движутся вокруг центра галактики по сложным орбитам. Могут быть звезды, у которых меняются блеск и спектр - переменные звезды (Тау Кита) и нестационарные (молодые) звезды, а также звездные ассоциации, возраст которых не превышает 10 млн. лет. Возможно из них образуются сверхновые звезды, при вспышках которых происходит выделение огромного количества энергии нетеплового происхождения и образование туманностей (скоплений газов).

Существуют очень крупные звезды - красные гиганты и сверхгиганты, и нейтронные звезды, масса которых близка к массе Солнца, но радиус составляет 1/50000 от солнечного (10-20 км); они называются так, потому что состоят из огромного сгустка нейтронов).

В 1967 году были открыты пульсары - космические источники радио-, оптического, рентгеновского и гамма-излучения, приходящие на Землю в виде периодически повторяющихся всплесков. У радиопульсаров (быстро вращающихся нейтронных звезд) периоды импульсов - 0,03-4 сек, у рентгеновских пульсаров (двойных звезд, где к нейтронной звезде перетекает вещество от второй, обычной звезды) периоды составляют несколько секунд и более.

К интересным небесным телам, которым часто приписывалось сверхъестественное значение, относятся кометы. Под воздействием солнечного излучения из ядра кометы выделяются газы, образующие обширную голову кометы. Воздействие солнечного излучения и солнечного ветра обусловливает образование хвоста, иногда достигающего миллионов километров в длину. Выделяемые газы уходят в космическое пространство, вследствие чего при каждом приближении к Солнцу комета теряет значительную часть своей массы. В связи с этим кометы живут относительно недолго (тысячелетия и столетия).

Небо только кажется спокойным. В нем постоянно происходят катастрофы и рождаются новые и сверхновые звезды, во время вспышек которых светимость звезды возрастает в сотни тысяч раз. Эти взрывы характеризуют галактический пульс.

В конце эволюционного цикла, когда все водородное горючее истрачено, звезда сжимается до бесконечной плотности (масса остается прежней). Обычная звезда превращается в «белого карлика» - звезду, имеющую относительно высокую поверхностную температуру (от 7000 до 30000° С) и низкую светимость, во много раз меньшую светимости Солнца.

Предполагается, что одной из стадий эволюции нейтронных звезд является образование новой и сверхновой звезды, когда она увеличивается в объеме, сбрасывает свою газовую оболочку и в течение нескольких суток выделяет энергию, светя как миллиарды солнц. Затем, исчерпав ресурсы, звезда тускнеет, а на месте вспышки остается газовая туманность.

Если звезда имела сверхкрупные размеры, то в конце ее эволюции частицы и лучи, едва покинув поверхность, тут же падают обратно из-за сил гравитации, т. е. образуется «черная дыра», переходящая затем в «белую дыру».

Процесс эволюции звезд представлен на схеме.

На данный момент удовлетворительной теории возникновения и эволюции галактик не существует. Есть несколько конкурирующих гипотез, объясняющих это явление, но каждая имеет свои серьёзные проблемы. Согласно инфляционной гипотезе, после возникновения первых звёзд во Вселенной начался процесс гравитационного объединения их в скопления и далее в галактики. В последнее время эта теория поставлена под сомнение. Современные телескопы способны «заглянуть» так далеко, что видят объекты, существовавшие приблизительно через 400 тыс. лет после Большого взрыва. Обнаружилось, что и на тот момент уже существовали вполне сформировавшиеся галактики. Предполагается, что между возникновением первых звёзд и вышеуказанным периодом развития Вселенной прошло слишком мало времени, и согласно теории Большого взрыва, галактики сформироваться просто не успели бы.

Другая распространенная гипотеза заключается в том, что в вакууме постоянно происходят квантовые флуктуации. Происходили они и в самом начале существования Вселенной, когда шёл процесс инфляционного расширения Вселенной, расширения со сверхсветовой скоростью. Это значит, что расширялись и сами квантовые флуктуации, причем до размеров, возможно, во много-много раз превышающих свой начальный размер. Те из них, которые существовали в момент прекращения инфляции, остались «раздутыми» и таким образом оказались первыми тяготеющими неоднородностями во Вселенной. Получается, что у материи было порядка 400 тыс. лет на гравитационное сжатие вокруг этих неоднородностей и образование газовых туманностей. А далее начался процесс возникновения звёзд и превращения туманностей в галактики.

Астрономы связывают образование звезд с конденсацией в межзвездной среде диффузной разряженной газово-пылевой среды. В 1939 году было установлено, что источником звездной энергии является происходящий в недрах звезд термоядерный синтез. В их недрах четыре протона соединяются через ряд промежуточных этапов в одну альфачастицу (ядро гелия). Ежегодно в Галактике "умирает" по меньшей мере одна звезда, так как у нее иссякает запас ядерного топлива. Значит, для того, чтобы звездное племя не выродилось, необходимо, чтобы столько же звезд образовывалось в нашей Галактике. Для того, чтобы в течении длительного времени Галактика сохраняла неизменным распределение звезд по классам светимости, температуры, в т.ч. по спектральным классам, необходимо, чтобы в ней автоматически поддерживалось динамическое равновесие межу рождающимися и гибнущими звездами. В Галактике время жизни звезды с массой меньше солнечной больше, чем более крупной звезды, так как термоядерные процессы при большем давлении и более высокой температуре идут быстрее. Чем больше масса звезды, тем меньше она существует как звезда – тем меньше она живет.

Современная астрономия располагает большим количеством аргументов в пользу образования звезд путем конденсации облаков газово-пылевой межзвездной среды. Поэтому количество звезд в рукавах галактик больше, чем в межрукавных пространствах, да и свечение звезд в рукавах более яркое, там нередко происходят вспышки сверхновых звезд. Предполагается, что вспышка сверхновой связана с тем, что на ней начинает "гореть" гелий, в результате термоядерного синтеза из ядер гелия образуются ядра углерода. При гелиевой реакции термоядерной энергии выделяется больше, чем при водородной. Такая звезда буквально взрывается, сбрасывая с себя часть атмосферы, состоящую из водорода.

Чтобы пройти самую раннюю стадию эволюции, протозвездам нужно сравнительно немного времени. Если, например, масса протозвезды больше солнечной, нужно всего лишь несколько миллионов лет, а если меньше, то несколько сотен миллионов лет. Так как время эволюции протозвезд сравнительно невелико, эту самую раннюю фазу развития звезд обнаружить очень трудно. На этой первой стадии эволюции протозвезда собирает газообразный водород и пыль из галактических облаков, отчего масса ее увеличивается, водородная атмосфера становится все более мощной, давление в нижнем слое атмосферы протозвезды растет. Наконец, давление атмосферы и ее температура на протозвезде становятся такими, что начинается термоядерная реакция синтеза гелия из водорода. В этот момент протозвезда превращается в звезду. Она перестает сжиматься, хотя и продолжает захватывать водород из галактических облаков. Ее объем и излучение поддерживается термоядерными реакциями, идущими в нижних областях атмосферы.

Время равновесного свечения звезды определяется ее первоначальной массой и поступлением водорода из окружающего пространства. Если поступление водорода на звезду увеличивается, то она разгорается ярче, если поток водорода снижается, то свечение звезды уменьшается вплоть до полного прекращения, при этом звезда затухает. Но если поступление водорода снова увеличивается, то звезда может вспыхнуть вновь, в ее атмосфере снова идет синтез гелия, который накапливается в нижних слоях атмосферы звезды. Если ядер гелия накопится очень много, то давление и температура в нижнем слое гелиевой атмосферы достигнут такой величины, что начнется синтез ядер углерода из ядер гелия. При этом энергии выделится столько, что произойдет взрыв, переход звезды с водородного топлива на гелиевое вызовет вспышку сверхновой. При этом значительное количество водорода быдет выброшено в окружающее пространство. Вокруг гелиевой звезды образуется сферическое облако – пузырь, в центре которого будет излучать энергию яркая гелиевая звезда.

Выгорание водорода происходит, а приток его ослабляется, так как звезда попадает в межрукавное пространство галактики. Рано или поздно при недостаточном поступлении извне водород на звезде почти весь выгорит, вернее, его останется еще много, но давление и температура в зоне термоядерной реакции снизится, и реакция прекратится. В этом случае звезда попросту потухнет. Остывающая атмосфера при этом начнет сжиматься под действием сил гравитации, не уравновешенных выделением тепловой энергии. При сжатии температура оставшегося водорода и гелия будет повышаться, образуется очень плотная горячая область, состоящая из гелия с небольшой примесью более тяжелых элементов. В этой плотной горячей области ядерные реакции происходить не будут, но они будут довольно интенсивно протекать на периферии ядра звезды – в сравнительно тонком слое. Светимость звезды и ее размеры снова начнут расти. Звезда при этом как бы разбухнет и начнет превращаться в красного гиганта.

После того как температура сжимающегося плотного гелиевого ядра звезды красного гиганта достигнет 100–150 млн. градусов Кельвина, там начнет идти новая ядерная реакция: образование ядра углерода из трех ядер гелия. Как только начнется эта реакция, сжатие атмосферы звезды снова прекратится.

При взрыве звезда сбрасывает значительную часть своей атмосферы; этот процесс называется образованием планетарных туманностей. Когда отделится наружная оболочка звезды, обнажаются ее внутренние, очень горячие слои. При этом сброшенная оболочка будет расширятся, все дальше и дальше улетая от звезды. Такие явления обнаружены в Космосе и запечатлены на фотографиях.

Мощное ультрафиолетовое излучение звезды – ядра планетарной туманности будет ионизировать атомы в сброшенной оболочке, возбуждая их свечение. Спектр этого свечения связан с атомарным составом планетарной туманности. Через несколько десятков тысяч лет оболочка вокруг звезды рассеется, и останется только небольшая очень горячая плотная звезда. Постепенно, медленно остывая, она превратится в белого карлика, а тот в конце концов станет чёрным карликом – суперпланетой с очень высокой плотностью. Чёрные карлики – это "мертвые", остывшие тела очень большой плотности, они в миллионы раз плотнее воды. Их размеры могут быть меньше размеров земного шара, хотя массы их сравнимы с солнечной массой. Процесс остывания белых карликов длится многие сотни миллионов лет. Так, по-видимому, умирает большинство звезд.

Таким образом, белые карлики как бы вызревают внутри звезд красных гигантов и появляются на свет после отделения наружных слоев атмосферы гигантских красных звезд. В других случаях сбрасывание наружных слоев может происходить не путем образования планетарных туманностей, а путем постепенного истечения атомов. Так или иначе белые карлики, в которых ядерные реакции синтеза гелия из водорода прекратились, светят за счет реакции синтеза углерода из гелия. Белые карлики постепенно снижают свечение по мере израсходования запасов гелия и переходят в состояние невидимых черных карликов. Дело в том, что в пространстве галактик гелиевые звезды не могут пополнить запас своего ядерного топлива – гелия. Там его просто нет или есть очень и очень мало.

Процесс образования звезд из межзвездной газово-пылевой среды происходил и в нашей Галактике, он происходит непрерывно.

В процессе эволюции звезда возвращает в межзвездное пространство значительную часть своей массы, сначала в виде излучения и звездного ветра из горячей плазмы, а затем в результате образования планетной туманности. Из материи, в том числе из плазмы и газа, выброшенного звездой, в Космосе снова будут образовываться новые молодые звезды, которые в свою очередь будут проходить те же стадии развития и превращаться в черных карликов. Одним словом, через звезды в галактиках осуществляется круговорот материи – вещества и энергии.

К проблеме эволюции галактик ученые начали серьезно подходить в середине 40-х годов ХХ века. Эти годы ознаменовались рядом важных открытий в звездной астрономии. Удалось выяснить, что среди звездных скоплений, рассеянных и шаровых, имеются молодые и старые, и ученые даже смогли оценить их возраст. Нужно было произвести своеобразную перепись населения в галактиках разных типов и сравнить результаты. В каких галактиках (эллиптических или спиральных), в каких классах галактик преобладают более молодые или более старые звезды. Такое исследование дало бы ясное указание на направление эволюции галактик, позволило бы выяснить эволюционный смысл классификации галактик Хаббла.

Вот такие странные объекты иногда попадают в объектив Хаббла. Этот объект даже напоминает искусственную (техническую) конструкцию. На самом же деле это, скорее всего, нечто, образованное чёрной дырой, вокруг которой по одной круговой орбите в виде "хоровода" вращаются яркие звезды – они в своей совокупности образуют огненное кольцо, а две звезды с огромными скоростями вращаются вокруг нее по эллиптическим орбитам большего радиуса. При этом эти две звезды оставляют след из сорвавшегося из их атмосфер горячего газа или плазмы.

Эллиптическая галактика ESO 325-G004 в скоплении галактик Abell_S740.

Скопление галактик. На переднем плане система из трех гравитационно связанных взаиимодействующих (а скорее всего, столкнувшихся) галактик. От этой "трехядерной" галактики отходят два слабо изогнутых рукава. Думаю, что все галактики в этом скоплении гравитационно связаны друг с другом и образуют один из узлов в структуре Метагалактики. Но о строении и жизни Метагалактики на нашем сайте будет специальная глава и страница.

Представить эту галактику как результат столкновения четырех галактик почти невозможно. Но если считать, что видимые галактики – это порождение гравитационно связанных друг с другом чёрных дыр, то можно считать, что такое сложное образование могло возникнуть в результате выбрасывания протозвезд из четырех чёрных дыр, связанных друг с другом в гравитационную систему. Каждая из этих чёрных дыр формирует свой спиральный диск.

Но прежде астрономам надо было выяснить численное соотношение между разными типами галактик. Непосредственное изучение фотографий, полученных в обсерватории Маунт Вилсон, позволило Хабблу получить следующие результаты: эллиптических галактик – 23%, спиральных – 59%, спиральных с перемычкой (баром) – 15%, неправильных – 3%. Однако в 1948 г. астроном Ю.И. Ефремов обработал данные каталога галактик Шепли и Эймса и пришел к следующим выводам: эллиптические галактики в среднем на 4 звездные величины слабее спиральных по абсолютной величине. Среди них много галактик карликов. Если учесть это обстоятельство и сделать пересчет количества галактик в единице объема, то окажется, что эллиптических галактик примерно в 100 раз больше чем спиральных.

Большая часть спиральных галактик – это галактики гиганты, большинство эллиптических галактик – галактики карлики. Конечно, среди тех и других существует некий разброс в размерах, имеются эллиптические галактики гиганты и спиральные карлики, но тех и других очень мало.

В 1947 году Х. Шепли обратил внимание на то, что количество ярких сверхгигантов постепенно убывает по мере перехода от неправильных галактик к спиральным, а затем к эллиптическим. Получалось, что молодыми являлись именно неправильные галактики и галактики с сильно разветвленными ветвями. Шепли тогда же высказал мысль, что переход галактик из одного класса в другой происходит необязательно. Возможно, что галактики образовались все такими, какими мы их наблюдаем, а потом лишь медленно эволюционировали в направлении сглаживания и округления их форм. Однонаправленного изменения галактик, вероятно, не происходит.

Х. Шепли обратил внимание еще на одно важное обстоятельство. Двойные галактики – это не результат столкновения и захвата одной галактики другой. Нередко в таких парах сосуществуют спиральные галактики с эллиптическими. Такие галактические пары, по всей вероятности, вместе и возникли. В этом случае допустить, что они прошли существенно разный путь развития, нельзя.

В 1949 году Б.В. Кукаркин обратил внимание на существования не только парных галактик, но и скоплений галактик. Между тем, возраст скопления галактик, судя по данным небесной механики, не может превышать 10–12 млрд. лет. Таким образом, получалось, что в Метагалактике практически одновременно образовались галактики разных форм. Значит, переход каждой галактики за время ее существования из одного типа в другой совсем необязателен.

Возможные варианты динамики звезд в галактиках. В зависимости от размера протозвезды и плотности окружающего ее газового облака образуются звезды разного типа с разной судьбой. Собрав мощную атмосферу из водорода, звезда может стать гигантской звездой, которая резко переходит от водородного источника термоядерного синтеза к гелиевому, сбрасывая с себя оболочку неиспользованного водорода. Но может прийти к взрыву сверхновой через стадию красного гиганта. Возможен и третий тип динамики, когда водородная небольшая звезда попадает в плотное водородное облако и получает из него водородную подпитку, продляя свою жизнь. Фото с сайта: http://900igr.net

В.Б. Куракин в 1949 г. обратил внимание на существование во Вселенной скоплений галактик.

Скопления галактик – это гравитационно-связанные системы галактик, одни из самых больших структур во Вселенной. Размеры скоплений галактик могут достигать 10 триллионов световых лет. Скопления условно разделяются на два вида.

Регулярные – скопления правильной сферической формы, в которых преобладают эллиптические и линзовидные галактики, с чётко выраженной центральной частью. В центрах таких скоплений расположены гигантские эллиптические галактики. Пример регулярного скопления – скопление за созвездием Волос Вероники.

Иррегулярные – скопления без определённой формы, по количеству галактик уступающие регулярным. В скоплениях этого вида преобладают спиральные галактики. Пример – скопление за созвездием Девы.

Массы скоплений превышают 10 триллиардов масс Солнца.

Борис Васильевич Кукаркин (1909–1977) – советский астроном. Фото с сайта: http://space-memorial.narod.ru

Эллиптическая галактика на фото справа имеет гигантские размеры. Между ней и наблюдателем расположилась сдвоенная небольшая спиральная галактика с двумя хорошо выраженными ядрами. В центре эллиптической галактики имеется обширное ядро. По всей вероятности, там есть и черная дыра, она концентрирует вокруг себя и поглощает газ. Однако этот объект не вращается и потому не имеет форму диска. Яркие и не очень яркие звезды на этом фото расположены в нашей Галактике. Звезды в эллиптической галактике неразличимы, а может, их там и нет вовсе.

Космогонические концепции А.И. Лебединского и Л.Э. Гуревича

Создавая свою гипотезу, А.И. Лебединский исходил из следующих основных предположений: 1 – галактики образовались из разреженного диффузного вещества, заполнявшего (и заполняющего) Метагалактику; 2 – галактики возникали неодновременно, так что некоторые из них образовывались, когда другие уже существовали; 3 – условия в метагалактическом пространстве в период формирования галактик мало отличались от современных. Массу газа, из которой образовалась галактика, А.И. Лебединский назвал протогалактикой. Он полагал, что до начала сжатия состояние протогалактики было квазистатическим, то есть почти неизменным. Потом какие-то постепенные количественные изменения состояния протогалактики (например, увеличение плотности) привели к тому, что она начала сжиматься. Этому могли способствовать и потери энергии молекул газа при соударении с твердыми пылинками.

Дальше сжатие протогалактики происходит почти по Джинсу: первоначально сферическая туманность вращается и сплющивается, а сжимаясь, начинает вращаться все быстрее, что приводит к ее уплощению, притом ничем не ограниченному. Но протогалактика – это вовсе не эллиптическая туманность, так как в ней нет звезд, и мы не можем ее заметить.

Но вот на некоторой стадии сжатия и уплощения в протогалактике возникают сгущения, сначала большие, в тысячи световых лет диаметром, потом все более и более мелкие. Самые большие дадут потом начало звездным облакам, меньшие – звездным скоплениям, еще меньшие – звездам. Образование звезд происходит путем гравитационной конденсации. Звезды появляются в наиболее уплощенных спиральных галактиках. Спиральные ветви возникают потому, что в сильно уплощенных системах это энергетически выгодно. При малом уплощении – таком, как у эллиптических галактик, – формирование спиралей и звезд невозможно.

Астрофизик Александр Игнатьевич Лебединский. Фото с сайта: http://slovari.yandex.ru/

Теорию дальнейшей эволюции молодой спиральной галактики А.И. Лебединский разработал совместно с Л.Э. Гуревич. Они показали, что с образованием звезд в галактике начинается перераспределение момента количества движения, который выносится с небольшими массами наружу. Система разделяется на центральную часть, ядро и периферическую, сильно уплощенную часть. Дальше гравитационные взаимодействия звезд приводят к постепенному росту отклонения их движений от круговых и к раскачке их в направлении, перпендикулярном экватору галактики. Галактика продолжает сжиматься в направлении ее радиусов, но расширяется вдоль оси, отчего сплющенность ее несколько уменьшается. Происходит разбрасывание звезд из центральной части галактики во все стороны. При этом образуется сферическая подсистема. А в плоской подсистеме продолжается образование молодых звезд из диффузной материи. Гравитационные взаимодействия разрушат звездные скопления и ассоциации, потом распадутся звездные облака и спиральные ветви. Спиральная галактика, по Л.Э Гуревичу и А.И. Лебединскому, в конце эволюции должна превратится в эллиптическую. Ввиду исчерпания диффузной материи звездообразование должно прекратится.

Эта теория объяснила многие проблемы – такие, как образование межзвездных магнитных полей и магнитных полей около звезд, процессы ускорения заряженных частиц, образование сложных элементов структуры. Космогоническая концепция А.И. Лебединского и Л.Э. Гуревича явилась важным этапом в развитии космогонии галактик, но и в ней есть слабые стороны. Во-первых, в ней постулировалось существование никем не наблюдавшихся (ни раньше, ни потом) протогалактик. Во-вторых, авторы гипотезы не дали объяснения спиральной структуре галактик, ограничившись замечанием об энергетической выгодности этой структуры. Обсуждение этого вопроса А.И. Лебединский обещал провести во второй части своей работы. Увы, ни он, не Л.Э. Гуревич так и не сделали этого, и вторая часть работы не была опубликована.

Работу над этой проблемой продолжил в 1958 году ленинградский теоретик Т.А. Агекян. Изучив эволюцию вращающихся систем взаимно притягивающихся тел, имеющих форму фигур равновесия, Т.А. Агекян учел возможность их диссипации, то есть покидания системы отдельными звездами.

Измеряя скорости удаления соседних звезд друг от друга, астрофизики установили, что звезды, входящие в одну группу, нередко движутся так, словно они были выброшены из одной точки космического пространства. Это вполне согласуется с моей гипотезой образования ядер звезд в результате взрывов в чёрных дырах. Собрав вокруг себя водородные атмосферы, эти фрагментарии вспыхивают новыми звездами.

Совсем недавно астрономы Л.Э. Гуревич и А.И. Лебединский создали теорию образования так называемых новых звезд. До этого астрономы считали, что каждая звезда обязательно должны проходить через стадию «новой звезды» – вспыхнуть на короткое время необычайно ярко сверхновой. Согласно теории Л.Э. Гуревича и А.И. Лебединского, не всякая звезда может стать «сверхновой звездой». Для того чтобы звезда могла вспыхнуть, ее недра должны обладать очень большой температурой и давлением. Руководствуясь своей теорией, они предсказали вспышку «сверхновой звезды» в созвездии Северная Корона, и эта вспышка действительно произошла. Рисунок с сайта: http://russkoe-pervenstvo.narod.ru

Лев Эммануилович Гуревич (1904–1990). Диапазон его творчества был очень широк: проблемы физической кинетики, молекулярной физики, физики плазмы. Фото с сайта: http://www.lomonosov-fund.ru/

Татеос Артемьевич Агекян (1913–2006). Советский астроном, заслуженный деятель науки Российской Федерации.

Теория (гипотеза) Большого взрыва

Все гипотезы, пытающиеся объяснить происхождение галактик, в качестве аксиомы используют теорию Большого Взрыва, в результате которого образовалась Вселенная. Согласно этой теории, вся Вселенная образовалась в результате взрыва: вначале сформировался горячий "газ" из элементарных частиц, который, охлаждаясь при расширении Вселенной, образовывал структуры: атомные ядра, атомы, молекулы; облака этого газа потом сжимались под действием гравитации в галактики и звезды. На то, что из такой гипотезы Большого Взрыва следуют абсурдные выводы о конечности Вселенной, почему-то не обращают особого внимания. Похоже, что эта гипотеза, которую поспешили назвать теорией, просто ослепила умы большинства астрономов и астрофизиков.

Итак, что говорит гипотеза Большого взрыва. Во время эры излучения (согласно этой гипотезе, вначале был свет!) продолжалось стремительное расширение космической материи, состоящей из фотонов, среди которых встречались свободные протоны и электроны, и крайне редко – альфа частицы. Фотонов было в миллиард раз больше, чем протонов и электронов. В период эры излучения протоны и электроны в основном оставались без изменений, уменьшалась только их скорость. С фотонами дело обстояло намного сложнее. Хотя скорость их осталась прежней, в течении эры излучения гамма-фотоны постепенно превращались в фотоны рентгеновские, ультрафиолетовые и фотоны света. Вещество и фотоны к концу этой эры остыли настолько, что к каждому протону мог присоединится один электрон. При этом происходило излучение одного ультрафиолетового фотона или же нескольких фотонов видимого света. Так образовывался атом водорода и так возникла водородная Вселенная. Это была первая система частиц во Вселенной. С возникновением атомов водорода началась звездная эра – эра протонов и электронов.

Далее Вселенная вступила в звездную эру в форме водородного газа с огромным количеством световых и ультрафиолетовых фотонов. Водородный газ расширялся в различных частях Вселенной с разной скоростью. Неодинаковой была и его плотность. Он образовывал огромные сгустки – во много миллионов световых лет. Масса таких космических водородных сгустков была в сотни тысяч, а то и в миллионы раз больше, чем масса нашей теперешней Галактики. Расширение газа внутри сгустков шло медленнее, чем расширение разреженного водорода между самими сгущениями. Позднее из отдельных участков с помощью собственного притяжения образовались сверхгалактики и скопления галактик. Таким образом, крупнейшие структурные единицы Вселенной – сверхгалактики – являются результатом неравномерного распределения водорода, которое происходило на ранних этапах истории Вселенной.

Колоссальные водородные сгущения – это зародыши скоплений галактик: они, согласно гипотезе, медленно вращались. Внутри них образовывались вихри, похожие на водовороты. Диаметр этих космических вихрей достигал примерно ста тысяч световых лет. Так образовались системы – протогалактики, т.е. зародыши галактик. Несмотря на свои невероятные размеры, вихри протогалактик были всего лишь ничтожной частью сверхгалактик и по размеру не превышали одну тысячную долю сверхгалактики. Сила гравитации образовывала из этих вихрей системы звезд, которые мы и называем галактиками.

Под действием силы тяготения вращающийся вихрь сжимался в шар или (от вращения) в несколько сплюснутый эллипсоид. Размеры такого правильного гигантского водородного облака были от нескольких десятков до нескольких сотен тысяч световых лет. Если энергия сил гравитации, удерживавшей атом в протогалактике, на ее периферии превышала его кинетическую энергию, атом становился составной частью галактики, если нет, то покидал ее. Это условие называется критерием Джинса. С его помощью можно определить, в какой степени масса и величена протогалактики зависит от плотности и температуры водородного газа. Чем холоднее было облако, тем большее количество атомов оставалось в нем.

Протогалактика, которая не вращалась, становилась родоначальницей шаровой галактики. Сплющенные эллиптические галактики рождались из медленно вращающихся протогалактик. Из-за недостаточной центробежной силы в них преобладала сила гравитационная. Протогалактика сжималась, и плотность водорода в ней возрастала. Как только плотность достигала определенного уровня, начинали выделяться и сжиматься сгустки атомов водорода, из которых рождались протозвезды, которые позже эволюционировали в звезды. Рождение всех звезд в шаровой или слегка приплюснутой галактике происходило почти одновременно. Этот процесс продолжается относительно недолго, примерно сто миллионов лет. Это значит, что в эллиптических галактиках все звезды приблизительно одинакового возраста и очень старые. В эллиптических галактиках весь водород был исчерпан сразу же в самом начале звездообразования. На протяжении последующего времени звезды в эллиптических галактиках уже не могли возникать. Таким образом, в эллиптических галактиках количество межзвездного вещества должно быть ничтожно.

Спиральные галактики, согласно гипотезе Большого Взрыва, состоят из старой сферической составляющей (которая похожа на эллиптические галактики) и из более молодой плоской составляющей, в которую входят спиральные рукава. Между этими составляющими существует несколько переходных компонентов разного уровня сплюснутости, разного возраста и скорости вращения. Спиральные галактики вращаются значительно быстрее, чем галактики эллиптические, так как они образовались из быстро вращающихся вихрей в ранней Вселенной. Поэтому в создании спиральных галактик участвовали и гравитационная, и центробежная силы.

На каждый атом межзвездного газа действовали две силы – гравитация, притягивающая его к центру галактики, и центробежная сила, выталкивающая его по направлению от оси вращения. В конечном итоге газ сжимался по направлению к галактической плоскости. В настоящее время межзвездный газ сконцентрирован в галактической плоскости в весьма тонкий слой. Он сосредоточен прежде всего в спиральных рукавах и представляет собой плоскую, или промежуточную составляющую, названную "звездным населением второго типа". На каждом этапе сплющивания межзвездного газа во все более утончающемся диске рождались звезды.

Эта теория-гипотеза, на первый взгляд, выглядит весьма убедительно, особенно когда подкреплена изрядным колическтвом математических формул. Но дьявол, как водится, скрывается не в формулах, а в исходных допущениях, принимаемых в качестве аксиом. А одна из аксиом заключается в бездоказательном признании за факт предположения о том, что газовое облако начнет вращаться само по себе, и при этом еще сжиматься по направлению к центру. Гравитационное взаимодействие атомов водорода между собой так ничтожно, что они могут "слипнуться" в комок только при абсолютном нуле градусов Кельвина – т.е. при полном прекращении теплового движения. Для того, чтобы газ водород начал сжиматься, нужен мощный источник гравитации.

Гипотеза секулярной эволюции галактик

Необходимо пояснить значение термина «секуляризация». В первом приближении, секуляризазия – это отделение (разделение), приобретение независимости. Термин «секуляризация» был впервые использованв 1646 г. Лонгвилем во время переговоров, предшествовавших заключению Вестфальского мира, и означал возможность удовлетворения интересов победителей за счет конфискации монастырских владений. Секуляризация (отнятие) церковного имущества практиковалась европейскими монархами, а в России довольно широко использовалось Петром I и Екатериной II.

В XVII в. началась секуляризация науки от религии, был сформулирован принцип разделенности разума и веры, светского и духовного начал. Независимость светского начала наглядно проявляется не только в политической, научной мысли той эпохи, но и в этике, которую начинают рассматривать как светскую, а не религиозную науку. До сих пор с переменным успехом идет борьба за то, чтобы на деле отделить церковь от государства, а школу от церкви.

Эллиптические галактики, в отличие от спиральных, всегда считались однокомпонентными звездными системами. Все звезды эллиптической галактики вроде бы похожи друг на друга, имеют одинаковый возраст, одинаковую металличность и распределены в трехмерной сфероидальной структуре, которая в проекции на плоскость неба может иметь отношение видимых осей от 1: 1 до 1: 3. Вращается большинство эллиптических галактик медленно (по сравнению с дисковыми галактиками). Звезды в таких галактиках движутся хаотически, как пылинки в воздухе, когда нет ветра. Это доказывает высокая дисперсия их скоростей и направлений движения. Однако в последнее время обнаружились любопытные вещи.

В 1988 г. в некоторых эллиптических галактиках были обнаружены кинематически выделенные ядра, которые вращались значительно быстрее, чем вся галактика. В подавляющем большинстве эллиптических галактик умеренной светимости были зафиксированы «дискообразные» изофоты вокруг центральной части. Д. Бёрстейн по этому поводу сказал: «Внутри абсолютно всех эллиптических галактик есть маленькие диски». Обнаруженные в центрах эллиптических галактик диски выделяются и по их химическому составу – в них больше тяжелых атомов.

Спиральная галактика NGC 4826. По виду галактики никто не мог предположить, что внешний газ диска вращается навстречу звездам. Фото Дж. Глиссена (обсерватория Кит-Пик) взято с сайта: http://student.km.ru

Гипотеза секулярной эволюции галактик утверждает, что газ «стекает» в центры галактик. Д. Фридли и В. Бенц (1993) считают, что если газ изначально вращался в ту же сторону, что и звезды, то это стимулирует звездообразование в ядре галактики, а если газ «контрвращался», то есть вращался навстречу звездам, то он в процессе стекания к центру выходит из плоскости галактики и стабилизируется во вращающемся, сильно наклоненном околоядерном кольце, не добираясь до самого центра галактики.

Но откуда может взяться газ, вращающийся навстречу звездам? Астрономы считают, что поставка контрвращающегося газа возможна при медленном слиянии галактик. Например, происхождение толстого звездного диска в нашей Галактике связывают с малым слиянием – поглощением Галактикой своего спутника. Галактики с большими газовыми дисками, вращающимися противоположно вращению звезд, известны и в ближайших окрестностях нашей Местной Группы галактик, например, в спиральной галактике NGC 4826 весь газ дружно меняет направление вращения на расстоянии 1 кпк от центра.

В пяти ближайших галактиках обнаружили внутренние полярные кольца из ионизованного газа: здесь в пределах нескольких сотен парсек от центра галактик газ вращается в плоскости, вообще перпендикулярной плоскости вращения звезд. Это совершенно неожиданное открытие.

По всей вероятности, шаровидные галактики – это самые молодые галактики. В них чёрная дыра в центре вращается еще очень медленно и она не увлекла в круговое движение окружающий ее газ и пыль, возможно оттого, что масса этой чёрной дыры недостаточно большая..

По мере того как центральное тяжелое ядро (черная дыра) в шаровидной галактике вбирает в себя пыль и водород, оно (она) начинает вращаться все быстрее и быстрее, увлекая в это вращение и все шарообразное облако, отчего облако начинает сплющиваться. При достижении критической массы чёрная дыра начинает выбрасывать фрагментарии – сгустки сверхплотного вещества, которые по инерции улетают от центра галактики и задерживаются на орбите вокруг него. При этом фрагментарии, обладая высокой гравитацией, собирают на себя часть газа и пыли из галактических рукавов. Некоторые из фрагментариев при этом становятся чёрными дырами, так как их масса и плотность очень велики. Другие становятся звездами, третьи – планетами и спутниками планет.

Представления о путях образования и эволюции галактик кардинально изменились за последние 20 лет. Астрономы и астрофизики поняли, что скорее всего, галактики «образуются», то есть формируются и меняют структуру на протяжении всей своей жизни. Прежде они считали, что галактики сначала образуются, а потом эволюционируют. Почему же так изменилась парадигма?

Пока астрономы не спеша наблюдали и изучали галактики, космологи из теоретических соображений пришли к выводу, что всю гравитацию и, следовательно, динамическую эволюцию Вселенной определяет небарионная холодная темная материя, которая начинает «кучковаться» под действием гравитационной неустойчивости, то есть распадаться на маленькие сгустки, которые потом сливаются в большие, затем в очень большие и так далее... А барионная фракция (газ, в основном водород), масса которой всего 10%, обязана следовать за темной материей и тоже фрагментировать и сливаться, сливаться, сливаться... Звезды же образуются «попутно», в процессе слияний структур. Таким образом, из недр космологических умозаключений вышла иерархическая концепция формирования галактик.

Ранние работы космологов утверждали, что первыми родились маленькие спиральные галактики, а гигантские эллиптические появились последними – не более 5 млрд. лет назад, в результате слияния малых спиральных галактик. В первый миллиард лет жизни Вселенной, образовавшейся в результате Большого Взрыва, могли образовываться галактики с массой не более 10 в 8-й степени М¤, в первые 6 млрд. лет жизни Вселенной образовались галактики с массой не более 10 в 10-й степени М¤, а все более массивные образовались еще раньше. Но наблюдатели с помощью новых гигантских телескопов нашли довольно много массивных галактик, с массой звездного вещества больше 10 в 11-й степени М¤, образовавшихся много раньше 6 млрд. лет назад. Оказалось, что население гигантских эллиптических галактик, как в скоплениях, так и в разреженных окрестностях, сформировалось ~ 8 млрд. лет назад. После этого космологи стали менее категоричными, но иерархическая концепция формирования галактик по-прежнему продолжает господствовать.

Галактика продолжает эволюционировать постоянно и под действием неустойчивостей, как порождаемых извне, гравитационным взаимодействием с соседями, так и под действием внутренних 4 факторов, присущих даже совершенно изолированным галактикам. Такая «спокойная» эволюция галактик на протяжении всей их жизни получила название секулярной. Хотя она и спокойная, но тоже может приводить к весьма существенным изменениям структуры.

Рассмотрим подробно основные механизмы структурной эволюции галактик: внутренние – гравитационные неустойчивости тонких холодных дисков (как звездных, так и газовых); внешние – приливные взаимодействия (по своей природе тоже гравитационные), большие и малые слияния.

В моделях Д. Фридли и В. Бенца (1993, 1995) имеется любопытная особенность: газ может достигнуть центра галактики только если он изначально вращался так же, как и звезды. А если газ вращается в другую сторону, то в процессе стекания к центру галактики он выходит из плоскости диска и образует устойчивое наклонное кольцо.

При близком взаимодействии галактик в них возникают приливные структуры – «мосты», «хвосты», протяженные спиральные рукава, «вытягиваемые» гравитацией возмущающего объекта из диска галактики, вовлеченной во взаимодействие. Выяснилось также, что внешнее гравитационное воздействие преобразует не только внешние части галактик: во внутренних областях диска возникает бар. Но в конце концов весь газ упадет в центр галактики, и при этом последует мощная вспышка звездообразования.

Если газовое протогалактическое облако эволюционирует в одиночестве, то из него может образоваться только дисковая галактика, так как в этом случае галактике некуда девать лишний момент вращения газа. Это было одной из самых серьезных проблем для классических теорий формирования галактик путем «монолитного коллапса», которые развивались в 1970-е годы.

При малых слияниях на большую дисковую галактику падает маленькая галактика – спутник с массой, например, 10% от массы большой галактики. Расчеты показывают, что при падении, даже под углом к плоскости основного диска, спутник, после нескольких ударов о него, теряет вертикальную составляющую момента движения, оседает в плоскость большого диска и начинает «спиралить» к его центру. В течение примерно 1 млрд. лет он достигает центра хозяйской галактики, потеряв в пути меньшую часть своего собственного вещества. А что же галактика-спутник приносит в центр? Большую часть своих звезд и газа, если изначально он у нее был. Если же изначально в малой галактике газа не было, все равно в результате столкновения она сильно возмутила газовый диск большой галактики, отчего усилилась турбулентность, и, следовательно, увеличилась вязкость в глобальном газовом диске. Возрастание вязкости означает интенсивное перераспределение момента вращения и снова стремительные радиальные течения газа к центру. Малые слияния тоже должны приводить к концентрации газа в ядре галактики и к последующей вспышке звездообразования.

Механизмы секулярной эволюции галактик приводят к концентрации газа в их центрах и, как следствие, к вероятной вспышке звездообразования в этих центрах. Образовавшиеся вновь в центре галактики звезды, скорее всего, распределятся в компактном околоядерным звездном диске. И если мы хотим найти в близких к нам галактиках последствия их секулярной эволюции, разумнее всего поискать в центрах этих галактик компактные звездные диски, отличающиеся от окружения (балджа, например) более молодым возрастом и большим содержанием металлов, поскольку образовались они позже из хорошо проэволюционировавшего вещества. Но первые впечатляющие открытия околоядерных звездных дисков были сделаны в эллиптических галактиках там, где их найти никто не ожидал.

Численное моделирование показывает, что за время порядка миллиарда лет большая часть газа эволюционирующего изолированного галактического диска скапливается в его центре, в пределах радиуса около 1 кпк, при этом в центре возникают большие плотности, и в них происходит бурное звездообразование.

Ядра в галактиках выделяются и химически – по увеличенному содержанию тяжелых атомов (Сильченко О.К., Афанасьев В.Л., Власюк В.В. Астрономический журнал, 1992, т. 69, с. 1121). В 7 из 12 изученных этими авторами галактик были обнаружены химически выделенные ядра. Среди этих галактик с химически выделенными ядрами была одна эллиптическая, три линзовидных и три спиральных галактики. Позже этим же авторам удалось обнаружить несколько десятков галактик с химически выделенными ядрами. Разница в средних возрастах ядер в галактиках в плотном и в разреженном окружении может быть объяснена тем, что в плотном окружении ядерная вспышка звездообразования протекала более эффективно и закончилась в более короткие сроки, чем в ядрах изолированных галактик.

Все механизмы секулярной эволюции галактик приводят к «стеканию» газа в центр галактики. А вот однозначно ли из этого следует вспышка звездообразования в центре галактики? Д. Фридли и В. Бенц (1993) отвечают: нет, только если газ изначально вращался в ту же сторону, что и звезды. А если газ «контрвращался», то есть вращался навстречу звездам, то он в процессе стекания к центру выходит из плоскости галактики и стабилизируется во вращающемся, сильно наклоненном околоядерном кольце, не добираясь до самого центра галактики.

Все динамические процессы перестройки галактик приводят к концентрации газа в их центре. Исследуя центральные области близких галактик, даже с помощью относительно скромных наблюдательных средств, которые пока еще доступны российским астрономам, можно восстановить полную эволюционную историю видимой материи во Вселенной и сказать, правы ли космологи, соорудившие такую красивую, но пока не вполне подтвержденную схему, как иерархическая концепция формирования галактик.

Гипотеза В.А. Амбарцумяна

В.А. Амбарцумян и его ученики показали, что звездообразование в галактиках продолжается и в наше время. Поэтому спиральные и неправильные галактики могут изобиловать молодыми звездами не потому, что эти галактики сами молоды, а потому, что в них имеются условия для звездообразования, тогда как в эллиптических галактиках они отсутствуют.

Б.В. Кукаркин заметил, что ни в одной эллиптической галактике, даже наиболее сжатой, не обнаружено сконцентрированного в экваториальной плоскости межзвездного диффузного вещества. Обнаруженные в них диффузные включения концентрируются к центру этих галактик. Наоборот, все спиральные галактики богаты сконцентрированным в экваториальной плоскости межзвездным диффузным веществом, которое особенно четко заметно, когда галактика видна с ребра.

Спиральные галактики бывают разные: большие и поменьше, а бывают и совсем маленькие (по космическим масштабам). Одни из них относительно нас, наблюдателей, закручены вправо, другие – влево. В галактиках есть ядра, рукава и межрукавные пространства. Состоят галактики из массивных космических тел – звезд, планет и чёрных дыр, а также облаков газа и пыли.

Кольцеобразная галактика – объект Хоага. На этой фотографии видно несколько галактик, находящихся значительно дальше объекта Хоага. Фото с сайта: http://kapuchin.livejournal.com/191347.html

Ядро этой галактики скоро перестанет получать водород из пространства Метагалактики. Весь водород теперь перехватывает газо-пылевое кольцо, "напичканное" звездами, планетами и вторичными чёрными дырами.

В 1950 г. Арт Хоаг обнаружил необычный внегалактический объект. В его внешней части находится кольцо, в котором преобладают яркие голубые звезды, а в центре находится шар из белых и желтых звезд. Между ними – пробел, который выглядит почти полностью темным. Объект Хоага имеет диаметр около 100 000 световых лет и находится от нас на расстоянии около 600 миллионов световых лет за созвездием Змеи. Сейчас обнаружено несколько подобных объектов, они считаются одной из форм кольцеобразных галактик. Причиной их появления могло быть столкновение галактик и возмущающее гравитационное воздействие на обычную спиральную галактику ядра с необычной формой и необычными свойствами. Фотография слева получена космическим телескопом Хаббл в 2001 г. (R. Lucas. Hubble Heritage Team, NASA).

Можно предположить, что вначале эта галактика развивалась по обычному сценарию: чёрная дыра собрала вокруг себя огромное газовое облако, раскрутила его в спирали, затем из нее стали выбрасываться сгустки сверхплотного вещества – фрагментарии, которые вышли в конце концов на орбиту вокруг чёрноё дыры – центра Галактики. Но на каком-то этапе активность ядра этой галактики резко снизилась. Чёрная дыра в центре ее продолжала поглощать вещество, которое, прежде чем упасть в эту дыру и стать невидимым, излучает свет. А вот внешние рукава под действием притяжения "успокоившегося" ядра галактики образовали кольцо, в котором все еще видны следы былой спиральной структуры. По всей вероятности, это кольцо не падает на ядро потому, что очень быстро вращается вокруг ядра. Точнее, вращаются звезды и фрагментарии, входящие в состав этого кольца, а газ и пыль, связанные гравитацией этих звезд, тоже вращаются вместе с ними, отчего и не падают на ядро галактики. По всей вероятности, кольцевые галактики находятся в тех частях Метагалактики, в которых концентрация газа и пыли чрезвычайно низкая.

За созвездием Центавра в 12 миллионах световых лет от нас находится линзообразная галактика Центавр А (NGC 5128). После Магеллановых облаков, галактики Андромеда и галактики Треугольника это самая яркая из видимых нами галактик. Если бы мы могли воспринимать радиоизлучение, то эта галактика была бы видна нам в виде двух огромных образований – джетов, исходящих из ее центра.

Центральная область галактики Центавр A окружена смесью молодых голубых звездных скоплений, гигантских облаков газа и внушительных темных пылевых прожилок. Эти фотографии получены в натуральном цвете в ренгентовских лучах и радио диапазоне на космическом телескопе Хаббл. Инфракрасные изображения с Хаббловского телескопа позволили увидеть в центре этой галактики диски вещества, которое, двигаясь вдоль спиральных траекторий, падает на черную дыру. Центавр A, по-видимому, является продуктом столкновения двух галактик, вещество которых интенсивно "заглатывается" чёрной дырой. Падая на эту дыру, прежде чем "исчезнуть" в ней, вещество излучает огромные джеты квантов рентгеновского излучения. Астрономы считают, что именно такие центральные черные дыры служат источниками жесткого излучения. Мощный джет, выбрасываемый из активного ядра галактики вверх и чуть налево, растянулся примерно на 13 тысяч световых лет. Более короткий выброс выходит из ядра в противоположном направлении. Вероятно, активная галактика Центавр A возникла в результате слияния со спиральной менее активной галактикой около 100 миллионов лет назад.

Линзообразная галактика 509px-Ngc5866.Она видна нам с ребра. Фото с сайта: http://ru.wikipedia.org/wiki/

Астрофизики говорят, что "экзотические" по современным стандартам черные дыры есть практически во всех галактиках, а вот с "обычными" черными дырами почему-то в астрофизике "напряженка".

Считается, что черные дыры с низкой массой формируются, когда массивные звезды достигают конечного этапа своей эволюции и во время взрыва по типу сверхновой выбрасывают в окружающее пространство большинство вещества, из которого они состоят. А оставшееся после них плотное и компактное остывающее ядро постепенно превращается в черную дыру.

Исследователи предполагают также, что в нашей Вселенной существует несколько миллионов таких черных дыр с низкой массой. Практически в каждой галактики можно обнаружить такие небольшие черные дыры, а порой даже несколько одновременно. Однако обнаружить их сложно, так как они не излучают никакого света, никаких электромагнитных колебаний, никаких потоков частиц. Именно поэтому большинство черных дыр до сих пор остаются ненайденными.

Однако в последние годы астрономы сделали довольно большой прогресс в этой области. С помощью специальных научных инструментов и особых методик им удается обнаруживать все больше и больше черных дыр в нашей Галактике (пока, в основном, в двойных звездных системах).

Для обнаружения обычной черной дыры в галактике "Центавр А" астрономы использовали рентгеновский диапазон орбитального телескопа Чандра.

На фотографии слева видна галактика, состоящая из разреженного газа, плотность которого увеличивается по направлению к ее центру. Но у этой галактики, видимой нами в профиль, имеется тонкий диск, который состоит из темного непрозрачного вещества. Скорее всего, этот диск состоит из фрагментариев, выброшенных быстро вращающимся сверхплотным ядром (чёрной дырой) галактики. Эти фрагментарии не смогли сформировать водородные атмосферы и стать звездами, поэтому и видны как темные тела. Неплохо было бы взглянуть на эту галактику в фас.

Заключение

В залючение следует подвести итог всего выше изложенного в виде некоего обобщающего вывода, выражающего суть моей гипотезы о структуре и динамике галактик. В начале постулируем, что Вселенная вечна и бесконечна, что вещество ее может находиться не только в привычном для нас виде светящегося или светлого вещества, состоящего из квантов, элементарных частиц, атомов, молекул, облаков газа и пыли, астероидов, планет и звезд, но и в сверхплотном состоянии, которое не очень удачно назвали чёрными дырами. Чёрные дыры – это не точки в пространстве, куда исчезает материя, это – темные, несветящиеся и не отражающие падающий на них свет тела сферической формы. Эти тела должны очень быстро вращаться, и чем они массивнее, тем быстрее вращаются, сплющиваясь на полюсах. Сила тяжести на поверхности этих черных "волчков" такова, что упавшее на них вещество теряет свою структуру и сжимается до плотности ядра атома, а может быть, даже больше. По всей вероятности, кинетическая и тепловая энергия упавшего на такое тело вещества превращается в энергию вращения этого сверхплотного тела, называемого черной дырой.

Когда энергия вращения достигает некоего предела, гравитация чёрной дыры уже не в состоянии удержать вещество, и оно начинает отрываться на экваторе и, словно ядро, пущенное из чудовищной пращи, летит от чёрной дыры прочь. Такие ядра (назовем их «фрагментарии» ) сверхплотного вещества забрасываются на галактические орбиты в соответствии со своей массой и количеством движения, которое получили в момент отрыва от чёрной дыры.

В центре спиральных галактик находятся сверхплотные объекты, выбрасывающие сгустки сверхплотного вещества –- фрагментарии . Выброшенные из ядра галактики (точнее, из чёрных дыр в ядре) сгустки сверхплотного вещества в собственном гравитационном поле приобретают форму шаров. Но собственной гравитации у этих тел не хватает для того, чтобы удерживать вещество в состоянии прежней плотности, какой оно было в чёрной дыре. Происходит разуплотнение вещества в этих телах, отчего объем их увеличивается, а из протонов и нейтронов сверхплотного сгустка при его разуплотнении, возможно, образуются тяжелые ядра химических элементов. Дальнейшее разуплотнение вещества приводит к тому, что вокруг ядер атомов образуются электронные оболочки и они становятся атомами тяжелых металлов.

На этой стадии эволюции космические сверхплотные тела (фрагментарии) формируют свои внешние оболочки из газа и пыли, захватывая их из галактических облаков, через которые пролетают и в которые погружаются, будучи выброшены из ядра галактики – из чёрной дыры, находящейся в ее центре. Массивные фрагментарии формируют вокруг себя мощные атмосферы из водорода и в дальнейшем становятся звездами, когда в их глубинах начинаются термоядерные реакции синтеза ядер гелия из ядер водорода. Некоторые особенно массивные фрагментарии, двигаясь от центра галактики к ее периферии, так и остаются малыми черными дырами – черными дырами второго порядка. Они тоже собирают водород и пыль из галактических облаков, но гравитация их так велика, что эти газ и пыль, падая на эти вторичные черные дыры, превращаются в сверхплотное вещество и оптически как бы "исчезают в этих дырах". Фрагментарии поменьше вторичных черных дыр немного разуплотняются и становятся ядрами будущих нейтронных звезд, третьи – разуплотняются сильнее и становятся ядрами обычных желтых звезд, четвертые – с меньшей изначальной массой и, следовательно, меньшей гравитацией – не могут удерживать очень большие атмосферы, они становятся не звездами, а планетами. Как увидим в дальнейшем, ядра у всех планет и больших шарообразных спутников планет тяжелые, металлические – железные, как утверждают планетологи.

Таким образом, согласно моей гипотезе, звезды и планеты действительно захватывали своей гравитацией облака газа и пыли из рукавов галактик, но сами по себе эти облака не превращались ни в звезды, ни в планеты и их спутники. Изначальными источником гравитации, организующими газ и пыль Космоса в звезды и планеты, является сверхплотное вещество, выброшенное из чёрных дыр в центрах галактик – фрагментарии. Изначальная масса этих сгустков сверхплотного вещества своим количеством несет информацию о том, будет ли формирующееся космическое тело чёрной дырой второго порядка, нейтронной звездой, желтой звездой или планетой. Двигаясь в галактике, космические тела гравитационно взаимодействуют друг с другом и образуют гравитационные системы: двойные и тройные звезды, планетные системы вокруг звезд, планетные системы из центральной массивной планеты и ее спутников.

Во всяком случае, в ядрах всех шарообразных космических объектов находится или находилось в начальный момент их существования сверхплотное вещество, которое и создало поле тяготения. Неправильную (нешарообразную) форму имеют космические тела, образованные не из сверхплотного, а из обычного вещества, в результате полного или частичного разрушения планет и их спутников. Сверхплотное вещество в лабораторных условиях получить невозможно, поэтому мы можем только догадываться о его свойствах, сравнивая между собой космические тела разной массы и разной формы, "плавающие" в пространстве галактик.

Есть существенное отличие данного сценария хаотической инфляции от старой гипотезы создания всей Вселенной в некий нулевой момент времени (Большой Взрыв ) в виде практически однородной и нагретой до бесконечно больших температур материи в виде самых элементарных частиц и квантов вакуума-эфира. В новой модели более не требуется условие изначальной однородности и термодинамического равновесия. Каждая часть Вселенной может иметь свое сингулярное начало (Borde et al , 2001). Однако это не означает, что вся Вселенная как целое возникла одномоментно из одной сингулярности. Различные части вселенной могли возникать в разные моменты времени и потом разрастаться. Это означает, что мы более не вправе говорить, что вся вселенная родилась в некий момент времени t=0, до которого ее не существовало.

Материя Вселенной может принимать разные формы: 1 – вещество разной плотности, 2 – излучение, 3 – вакуум-эфир и 4 – сингулярность (сверхплотное вещество). Плотность у вещества бывает разная (в г/куб. см): нейтронные звезды 1014, белые карлики 106, солнце 1,4, красные сверхгиганты 5/100 000 000, у галактик и Метагалактики в целом плотность на много порядков меньше, чем у красных сверхгигантов (http://www.astronet.ru/db/msg/1202878). Некоторая часть материи Метагалактики находится в форме излучения и элементарных частиц, плотность этой "лучистой" материи составляет менее 1/1000 от плотности вещества в Метагалактике. Но значительная часть материи находится в состоянии сингулярности, т.е. чёрных дыр.

При написании данной странички была также использована информация с сайтов:

1. Википедия. Адрес доступа: http://ru.wikipedia.org/wiki/

2. Сайт "Astronet". Адрес доступа: http://www.astronet.ru/db/msg/1225526

3. Сильченко О.К. Эволюция центральных областей галактик. Адрес доступа: http://lib.tr200.net/v.php?id=94040&sp=1&fs=18; http://ziv.telescopes.ru

4. http://lib.tr200.net/v.php?id=94040&sp=1&fs=18

5. http://www.infuture.ru/article/5983

Вопрос об образовании и строении галактик - следующий важный вопрос происхождения Вселенной. Его изучает не только космология как наука о Вселенной - едином целом, но также и космогония (греч. «гонос» означает рождение) - область науки, в которой изучается происхождение и развитие космических тел и их систем (различают галактическую, звездную, планетную космогонию).

Как образовались галактики и звезды? Плотность вещества во Вселенной была неодинакова в различных частях, и к областям большей плотности притягивалось вещество из соседних областей. Области высокой плотности становились, таким образом, еще плотнее. Формировались так называемые «острова» материи, которые начинали сжиматься из-за собственной гравитации. В пределах островов образовывались отдельные «мини-острова» с еще более высокой плотностью. Из первоначальных островов образовались галактики, и из мини-островов - звезды. Процесс этот завершился в течение 1 млрд лет.

Галактики представляют собой гигантские скопления звезд и их систем, имеющие свой центр (ядро) и различную, не только сферическую, но часто спиралевидную, эллиптическую, сплюснутую или вообще неправильную форму. Галактик - миллиарды, и в каждой из них насчитываются миллиарды звезд.

Наша галактика называется Млечный Путь. Само слово галактика происходит от греч. «галактикос» - молочный. Так назвали потому, что скопление звезд напоминает белесое облако. Наша галактика относится к группе спиралевидных галактик и состоит из трех частей. 100 млрд звезд галактики сосредоточено в гигантском диске толщиной около 1500 световых лет, а диаметром приблизительно 100 тыс. световых лет. Движение звезд осуществляется по почти круговым орбитам вокруг центра галактики. На расстоянии около 30 тыс. световых лет от центра галактики в диске расположено Солнце. Вторую часть галактики составляет сферическая подсистема , в которой также около 100 млрд звезд. Но движутся они по сильно вытянутым орбитам, плоскости которых проходят через центр галактики. Диаметр сферической подсистемы близок к диаметру диска. Третья, внешняя, часть галактики называется гало. Размер ее в 10 раз больше размеров диска и состоит она из темного вещества , названного так потому, что в нем нет звезд и из него не исходит никакого света. Его нельзя увидеть, а узнали о нем по наличию тяготения. Масса темного вещества в гало в 10 раз больше суммарной массы всех звезд галактики.

Из чего состоит темное вещество, неясно. Предположений много: от элементарных частиц до звезд-карликов. Космологическая среда в целом состоит из четырех компонентов: 1) темная энергия; 2) темное вещество; 3) барионы (обычное вещество); 4) излучение. Излучение включает в себя реликтовое (фотоны), нейтрино и антинейтрино.

Темная энергия (или космический вакуум) - «это такое состояние космической среды, которое обладает постоянной во времени и всюду одинаковой в пространстве плотностью - и притом в любой системе отсчета» 1 . О физической природе темной энергии ничего не известно. Последние наблюдения показывают, что 6-8 млрд лет назад замедляющееся расширение сменилось ускоренным. Причиной считают то, что ранее 6-8 млрд лет назад преобладало тяготение, а затем - антитяготение. Это служит аргументом в пользу наличия темной энергии. На космический вакуум приходится 67% всей энергии мира, на темное вещество - 30%, на обычное вещество - 3% .

Ближайшая к нашей галактика (которую световой луч достигает за 2 млн лет) - Туманность Андромеды. Она названа так потому, что именно в созвездии Андромеды в 1917 г. был открыт первый внегалактический объект. Его принадлежность к другой галактике была доказана в 1924 г.

Э. Хабблом, нашедшим путем спектрального анализа в этом объекте звезды. Размеры Туманности Андромеды сравнимы с размерами нашей галактики. Позже были открыты другие галактики.

Галактики собраны в коллективы от нескольких единиц до тысяч - скопления галактик. Наше скопление называется Местная группа (ее размеры - 60 размеров Млечного Пути). Название галактик из Местной группы - Туманность Андромеды, Треугольник, Большое Магелланово Облако, Малое Магелланово Облако и т.д. Скопления сгруппированы в сверхскопления. В центре нашего сверхскопления - скопление Дева. Всего во Вселенной существуют сотни миллиардов галактик.

Галактики, скопления и сверхскопления распространены во Вселенной равномерно. Однородность галактик означает, что ни одна из них не является центром мира. В целом, на каждые 10 м пространства приходится 1 атом водорода. Компактные массивные сгущения в центральных частях галактик называются ядрами галактик.

  • Черептцук Л. М., Чернин Л. Д. Указ. соч. С. 229.
  • Там же. С. 233.

Поэт спрашивал: «Послушайте! Ведь, если звезды зажигают - значит - это кому-нибудь нужно?». Мы знаем, что звезды нужны, чтобы светить, и наше Солнце дает необходимую для нашего существования энергию. А зачем нужны галактики? Оказывается и галактики нужны, и Солнце не только обеспечивает нас энергией. Астрономические наблюдения показывают, что из ядер галактик происходит непрерывное истечение водорода. Таким образом, ядра галактик являются фабриками по производству основного строительного материала Вселенной - водорода.

Водород, атом которого состоит из одного протона в ядре и одного электрона на его орбите, является самым простым «кирпичиком», из которого в недрах звезд образуются в процессе атомных реакций более сложные атомы. Причем оказывается, что звезды совершенно не случайно имеют различную величину. Чем больше масса звезды, тем более сложные атомы синтезируются в ее недрах.

Наше Солнце как обычная звезда производит только гелий из водорода (который дают ядра галактик), очень массивные звезды производят углерод - главный «кирпичик» живого вещества. Вот для чего нужны галактики и звезды. А для чего нужна Земля? Она производит все необходимые вещества для существования жизни человека. А для чего существует человек? На этот вопрос не может ответить наука, но она может заставить нас еще раз задуматься над ним.

Если «зажигание» звезд кому-то нужно, то может и человек кому-то нужен? Научные данные помогают нам сформулировать представление о нашем предназначении, о смысле нашей жизни. Обращаться при ответе на эти вопросы к эволюции Вселенной - это значит мыслить космически. Естествознание учит мыслить космически, в то же время не отрываясь от реальности нашего бытия.

Вопрос об образовании и строении галактик - следующий важный вопрос происхождения Вселенной. Его изучает не только космология как наука о Вселенной - едином целом, но также и космогония (греч. «гонейа» означает рождение) - область науки, в которой изучается происхождение и развитие космических тел и их систем (различают планетную, звездную, галактическую космогонию).

Галактика представляет собой гигантские скопления звезд и их систем, имеющие свой центр (ядро) и различную, не только сферическую, но часто спиралевидную, эллиптическую, сплюснутую или вообще неправильную форму. Галактик - миллиарды, и в каждой из них насчитываются миллиарды звезд.

Наша галактика называется Млечный Путь и состоит из 150 млрд. звезд. Она состоит из ядра и нескольких спиральных ветвей. Ее размеры -100 тыс. световых лет. Большая часть звезд нашей галактики сосредоточена в гигантском «диске» толщиной около 1500 световых лет. На расстоянии около 30 тыс. световых лет от центра галактики расположено Солнце.

Ближайшая к нашей галактика (до которой световой луч бежит 2 млн. лет) - «туманность Андромеды». Она названа так потому, что именно в созвездии Андромеды в 1917 году был открыт первый внегалактический объект. Его принадлежность к другой галактике была доказана в 1923 году Э. Хабблом, нашедшим путем спектрального анализа в этом объекте звезды. Позже были обнаружены звезды и в других туманностях.

А в 1963 году были открыты квазары (квазизвездные радиоисточники) - самые мощные источники радиоизлучения во Вселенной со светимостью в сотни раз большей светимости галактик и размерами в десятки раз меньшими их. Было предположено, что квазары представляют собой ядра новых галактик и стало быть процесс образования галактик продолжается и поныне.

Поэт спрашивал: «Послушайте! Ведь, если звезды зажигают – значит, это кому-нибудь нужно?». Мы знаем, что звезды нужны, чтобы светить, и наше Солнце дает необходимую для нашего существования энергию. А зачем нужны галактики? Оказывается, и галактики нужны, и Солнце не только обеспечивает нас энергией. Астрономические наблюдения показывают, что из ядер галактик происходит непрерывное истечение водорода. Таким образом, ядра галактик являются фабриками по производству основного строительного материала Вселенной – водорода.

Водород, атом которого состоит из одного протона в ядре и одного электрона на его орбите, является самым простым «кирпичиком», из которого в недрах звезд образуются в процессе атомных реакций более сложные атомы. Причем оказывается, что звезды совершенно не случайно имеют различную величину. Чем больше масса звезды, тем более сложные атомы синтезируются в ее недрах.

Наше Солнце, как обычная звезда, производит только гелий из водорода (который дают ядра галактик), очень массивные звезды производят углерод – главный «кирпичик» живого вещества. Вот для чего нужны галактики и звезды. А для чего нужна Земля? Она производит все необходимые вещества для существования жизни человека. А для чего существует человек? На этот вопрос не может ответить наука, но она может заставить нас еще раз задуматься над ним.

Если «зажигание» звезд кому-то нужно, то может и человек кому-то нужен? Научные данные помогают нам сформулировать представление о нашем предназначении, о смысле нашей жизни. Обращаться при ответе на эти вопросы к эволюции Вселенной – это значит мыслить космически. Естествознание учит мыслить космически, в то же время не отрываясь от реальности нашего бытия.

Вопрос об образовании и строении галактик – следующий важный вопрос происхождения Вселенной. Его изучает не только космология, как наука о Вселенной – едином целом, но также и космогония (греч. «гонейа» означает рождение) – область науки, в которой изучаются происхождение и развитие космических тел и их систем (различают планетную, звездную, галактическую космогонию).



Галактика представляет собой гигантские скопления звезд и их систем, имеющие свой центр (ядро) и различную, не только сферическую, но часто спиралевидную, эллиптическую, сплюснутую или вообще неправильную форму. Галактик – миллиарды, и в каждой из них насчитываются миллиарды звезд.

Наша галактика называется Млечный Путь и состоит из 150 млрд. звезд. Ока состоит из ядра и нескольких спиральных ветвей. Ее размеры – 100 тыс. световых лет. Большая часть звезд нашей галактики сосредоточена в гигантском «диске» толщиной около 1500 световых лет. На расстоянии около 30 тыс. световых лет от центра галактики расположено Солнце.

Ближайшая к нашей галактика (до которой световой луч бежит 2 млн. лет) – «туманность Андромеды». Она названа так потому, что именно в созвездии Андромеды в 1917 году был открыт первый внегалактический объект. Его принадлежность к другой галактике была доказана в 1923 году Э. Хабблом, нашедшим путем спектрального анализа в этом объекте звезды. Позже были обнаружены звезды и в других туманностях.

А в 1963 году были открыты квазары (квазизвездные радиоисточники) – самые мощные источники радиоизлучения во Вселенной со светимостью в сотни раз большей светимости галактик и размерами в десятки раз меньшими их. Было предположено, что квазары представляют собой ядра новых галактик и, стало быть, процесс образования галактик продолжается и поныне.

Астрономия и космонавтика

Звезды изучает астрономия (от греч. «астрон» – звезда и «номос» закон) – наука о строении и развитии космических тел и их систем. Эта классическая наука переживает в XX веке свою вторую молодость в связи с бурным развитием техники наблюдений – основного своего метода исследований: телескопов-рефлекторов, приемников излучения (антенн) и т.п. В СССР в 1974 году вступил в действие в Ставропольском крае рефлектор с диаметром зеркала 6 м, собирающий света в миллионы раз больше, чем человеческий глаз.

В астрономии исследуются радиоволны, свет, инфракрасное, ультрафиолетовое, рентгеновское излучения и гамма-лучи. Астрономия делится на небесную механику, радиоастрономию, астрофизику и другие дисциплины.

Особое значение приобретает в настоящее время астрофизика – часть астрономии, изучающая физические и химические явления, происходящие в небесных телах, их системах и в космическом пространстве. В отличие от физики, в основе которой лежит эксперимент, астрофизика основывается главным образом на наблюдениях. Но во многих случаях условия, в которых находится вещество, в небесных телах и системах отличается от доступных современным лабораториям (сверхвысокие и сверхнизкие плотности, высокая температура и т. д.). Благодаря этому астрофизические исследования приводят к открытию новых физических закономерностей.

Собственное значение астрофизики определяется тем, что в настоящее время основное внимание в релятивистской космологии переносится на физику Вселенной – состояние вещества и физические процессы, идущие на разных стадиях расширения Вселенной, включая наиболее ранние стадии.

Один из основных методов астрофизики – спектральный анализ. Если пропустить луч белого солнечного света через узкую щель, а затем сквозь стеклянную трехгранную призму, то он распадается на составляющие цвета, и на экране появится радужная цветовая I полоска с постепенным переходом от красного к фиолетовому – непрерывный спектр. Красный конец спектра образован лучами, наименее отклоняющимися при прохождении через призму, фиолетовый – наиболее отклоняемыми. Каждому химическому элементу соответствуют вполне определенные спектральные линии, что и позволяет использовать данный метод для изучения веществ.

К сожалению, коротковолновые излучения – ультрафиолетовые, рентгеновские и гамма-лучи – не проходят сквозь атмосферу Земли, и здесь на помощь астрономам приходит наука, которая до недавнего времени рассматривалась как прежде всего техническая – космонавтика (от греч. «наутике» – искусство кораблевождения), обеспечивающая освоение космоса для нужд человечества с использованием летательных аппаратов.

Космонавтика изучает проблемы: теории космических полетов – расчеты траекторий и т.д.; научно-технические – конструирование космических ракет, двигателей, бортовых систем управления, пусковых сооружений, автоматических станций и пилотируемых кораблей, научных приборов, наземных систем управления полетами, служб траекторных измерений, телеметрии, организация и снабжение орбитальных станций и др.; медико-биологические – создание бортовых систем жизнеобеспечения, компенсация неблагоприятных явлений в человеческом организме, связанных с перегрузкой, невесомостью, радиацией и др.

История космонавтики начинается с теоретических расчетов выхода человека в неземное пространство, которые дал К.Э. Циолковский в труде «Исследование мировых пространств реактивными приборами» (1903 г.). Работы в области ракетной техники начаты в СССР в 1921 году. Первые запуски ракет на жидком топливе осуществлены в США в 1926 году.

Основными вехами в истории космонавтики стали: запуск первого искусственного спутника Земли 4 октября 1957 года, первый полет человека в космос 12 апреля 1961 года, лунная экспедиция в 1969 году, создание орбитальных пилотируемых станций на околоземной орбите, запуск космического корабля многоразового использования. Работы велись параллельно в СССР и США, но в последние годы наметилось объединение усилий в области исследования космического пространства. В1995 году осуществлен совместный проект «Мир» – «Шаттл», в котором американские корабли «Шаттл» использовались для доставки космонавтов на российскую орбитальную станцию «Мир».

Возможность изучать на орбитальных станциях космическое излучение, которое задерживается атмосферой Земли, способствует существенному прогрессу в области астрофизики.

Структура Вселенной

Вселенной на самых разных уровнях, от условно элементарных частиц и до гигантских сверхскоплений галактик, присуща структурность. Современная структура Вселенной является результатом космической эволюции, в ходе которой из протогалактик образовались галактики, из протозвезд – звезды, из протопланетного облака – планеты.

Метагалактика представляет собой совокупность звездных систем – галактик, а ее структура определяется их распределением в пространстве, заполненном чрезвычайно разреженным межгалактическим газом и пронизываемом межгалактическими лучами.

Согласно современным представлениям, для Метагалактики характерна ячеистая (сетчатая, пористая) структура. Эти представления основываются на данных астрономических наблюдений, показавших, что галактики распределены не равномерно, а сосредоточены вблизи границ ячеек, внутри которых галактик почти нет. Кроме того, найдены огромные объемы пространства (порядка миллиона кубических мегапарсек), в которых галактик пока не обнаружено. Пространственной моделью такой структуры может служить кусок пемзы, которая неоднородна в небольших выделенных объемах, но однородна в больших объемах.

Если брать не отдельные участки Метагалактики, а ее крупномасштабную структуру в целом, то очевидно, что в этой структуре не существует каких-то особых, чем-то выделяющихся мест или направлений и вещество распределено сравнительно равномерно.

Возраст Метагалактики близок к возрасту Вселенной, поскольку образование ее структуры приходится на период, следующий за разъединением вещества и излучения. По современным данным, возраст Метагалактики оценивается в 15 млрд. лет. Ученые считают, что, по-видимому, близок к этому и возраст галактик, которые сформировались на одной из начальных стадий расширения Метагалактики.

Галактика – гигантская система, состоящая из скоплений звезд и туманностей, образующих в пространстве достаточно сложную конфигурацию.

По форме галактики условно разделяются на три типа: эллиптические, спиральные и неправильные.

Эллиптические галактики обладают пространственной формой эллипсоида с разной степенью сжатия. Они являются наиболее простыми по структуре: распределение звезд равномерно убывает от центра.

Спиральные галактики представлены в форме спирали, включая спиральные ветви. Это самый многочисленный вид галактик, к которому относится и наша Галактика – Млечный путь.

Неправильные галактики не обладают выраженной формой, в них отсутствует центральное ядро.

Некоторые галактики характеризуются исключительно мощным радиоизлучением, превосходящим видимое излучение. Это радиогалактики.

В строении «правильных» галактик очень упрощенно можно выделить центральное ядро и сферическую периферию, представленную либо в форме огромных спиральных ветвей, либо в форме эллиптического диска, включающих наиболее горячие и яркие звезды и массивные газовые облака.

Ядра галактик проявляют свою активность в разных формах: в непрерывном истечении потоков вещества; в выбросах сгустков газа и облаков газа с массой в миллионы солнечных масс; в нетепловом радиоизлучении из околоядерной области.

В ядре галактики сосредоточены самые старые звезды, возраст которых приближается к возрасту галактики. Звезды среднего и молодого возраста расположены в диске галактики.

Звезды и туманности в пределах галактики движутся довольно сложным образом: вместе с галактикой они принимают участие в расширении Вселенной, кроме того, они участвуют во вращении галактики вокруг оси.

Звезды. На современном этапе эволюции Вселенной вещество в ней находится преимущественно в звездном состоянии. 97% вещества в нашей Галактике сосредоточено в звездах, представляющих собой гигантские плазменные образования различной величины, температуры, с разной характеристикой движения. У многих других галактик, если не у большинства, «звездная субстанция» составляет более чем 99,9% их массы.

Возраст звезд меняется в достаточно большом диапазоне значений: от 15 млрд. лет, соответствующих возрасту Вселенной, до сотен тысяч – самых молодых. Есть звезды, которые образуются в настоящее время и находятся в протозвездной стадии, т.е. они еще не стали настоящими звездами.

Огромное значение имеет исследование взаимосвязи между звездами и межзвездной средой, включая проблему непрерывного образования звезд из конденсирующейся диффузной (рассеянной) материи.

Рождение звезд происходит в газово-пылевых туманностях под действием гравитационных, магнитных и других сил, благодаря которым идет формирование неустойчивых однородностей и диффузная материя распадается на ряд сгущений. Если такие сгущения сохраняются достаточно долго, то с течением времени они превращаются в звезды. Важно отметить, что происходит процесс рождения не отдельной изолированной звезды, а звездных ассоциаций. Образовавшиеся газовые тела притягиваются друг к другу, но не обязательно объединяются в одно громадное тело. Вместо этого они, как правило, начинают вращаться относительно друг друга, и центробежная сила этого движения противодействует силе притяжения, ведущей к дальнейшей концентрации. Звезды эволюционируют от протозвезд, гигантских газовых шаров, слабо светящихся и с низкой температурой, к звездам – плотным плазменным телам с температурой внутри в миллионы градусов. Затем начинается процесс ядерных превращений, описываемый в ядерной физике. Основная эволюция вещества во Вселенной происходила и происходит в недрах звезд. Именно там находится тот «плавильный тигель», который обусловил химическую эволюцию вещества во Вселенной.

В недрах звезд при температуре порядка 10 млн. К, и при очень высокой плотности атомы находятся в ионизированном состоянии: электроны почти полностью или абсолютно все отделены от своих атомов. Оставшиеся ядра вступают во взаимодействие друг с другом, благодаря чему водород, имеющийся в изобилии в большинстве звезд, превращается при участии углерода в гелий. Эти и подобные ядерные превращения являются источником колоссального количества энергии, уносимой излучением звезд.

Огромная энергия, излучаемая звездами, образуется в результате ядерных процессов, происходящих внутри звезд. Те же силы, которые высвобождаются при взрыве водородной бомбы, образуют внутри звезды энергию, позволяющую ей излучать свет и тепло в течение миллионов и миллиардов лет за счет превращения водорода в более тяжелые элементы, и прежде всего в гелий. В итоге на завершающем этапе эволюции звезды превращаются в инертные («мертвые») звезды.

Звезды не существуют изолированно, а образуют системы. Простейшие звездные системы – так называемые кратные системы состоят из двух, трех, четырех, пяти и больше звезд, обращающихся вокруг общего центра тяжести. Компоненты некоторых кратных систем окружены общей оболочкой диффузной материи, источником которой, по-видимому, являются сами звезды, выбрасывающие ее в пространство в виде мощного потока газа.

Звезды объединены также в еще большие группы – звездные скопления, которые могут иметь «рассеянную» или «шаровую» структуру. Рассеянные звездные скопления насчитывают несколько сотен отдельных звезд, шаровые скопления – многие сотни тысяч.

Ассоциации, или скопления звезд, также не являются неизменными и вечно существующими. Через определенное количество времени, исчисляемое миллионами лет, они рассеиваются силами галактического вращения.

Солнечная система представляет собой группу небесных тел, весьма различных по размерам и физическому строению. В эту группу входят: Солнце, девять больших планет, десятки спутников планет, тысячи малых планет (астероидов), сотни комет и бесчисленное множество метеоритных тел, движущихся как роями, так и в виде отдельных частиц. К 1979 году было известно 34 спутника и 2000 астероидов. Все эти тела объединены в одну систему благодаря силе притяжения центрального тела – Солнца. Солнечная система является упорядоченной системой, имеющей свои закономерности строения. Единый характер Солнечной системы проявляется в том, что все планеты вращаются вокруг Солнца в одном и том же направлении и почти в одной и той же плоскости. Большинство спутников планет (их лун) вращается в том же направлении и в большинстве случаев в экваториальной плоскости своей планеты. Солнце, планеты, спутники планет вращаются вокруг своих осей в том же направлении, в котором они совершают движение по своим траекториям. Закономерно и строение Солнечной системы: каждая следующая планета удалена от Солнца примерно в два раза дальше, чем предыдущая. Принимая во внимание закономерности строения Солнечной системы, кажется невозможным ее случайное образование.

О механизме образования планет в Солнечной системе также нет общепризнанных заключений. Солнечная система, по оценкам, образовалась примерно 5 млрд. лет назад, причем Солнце – звезда второго (или еще более позднего) поколения. Таким образом, Солнечная система возникла на продуктах жизнедеятельности звезд предыдущих поколений, скапливавшихся в газово-пылевых облаках. Это обстоятельство дает основание назвать Солнечную систему малой частью звездной пыли. О происхождении Солнечной системы и ее исторической эволюции наука знает меньше, чем необходимо для построения теории планетообразования. От первых научных гипотез, выдвинутых примерно 250 лет назад, до наших дней было предложено большое число различных моделей происхождения и развития Солнечной системы, но ни одна из них не удостоилась перевода в ранг общепризнанной теории. Большинство из выдвигавшихся ранее гипотез сегодня представляет лишь исторический интерес.

Первые теории происхождения Солнечной системы были выдвинуты немецким философом И. Кантом и французским математиком П.С. Лапласом. Их теории вошли в науку как некая коллективная космогоническая гипотеза Канта-Лапласа, хотя разрабатывались они независимо друг от друга.

Согласно этой гипотезе система планет вокруг Солнца образовалась в результате действия сил притяжения и отталкивания между частицами рассеянной материи (туманности), находящейся во вращательном движении вокруг Солнца.

Началом следующего этапа в развитии взглядов на образование Солнечной системы послужила гипотеза английского физика и астрофизика Дж.X. Джинса. Он предположил, что когда-то Солнце столкнулось с другой звездой, в результате чего из него была вырвана струя газа, которая, сгущаясь, преобразовалась в планеты. Однако, учитывая огромное расстояние между звездами, такое столкновение кажется совершенно невероятным. Более детальный анализ выявил и другие недостатки этой теории.

Современные концепции происхождения планет Солнечной системы основываются на том, что нужно учитывать не только механические силы, но и другие, в частности электромагнитные. Эта идея была выдвинута шведским физиком и астрофизиком X. Альфвеном и английским астрофизиком Ф. Хойлом. Считается вероятным, что именно электромагнитные силы сыграли решающую роль при зарождении Солнечной системы. В соответствии с современными представлениями, первоначальное газовое облако, из которого образовались и Солнце и планеты, состояло из ионизированного газа, подверженного влиянию электромагнитных сил. После того как из огромного газового облака посредством концентрации образовалось Солнце, на очень большом расстоянии от него остались небольшие части этого облака. Гравитационная сила стала притягивать остатки газа к образовавшейся звезде – Солнцу, но его магнитное поле остановило падающий газ на различных расстояниях – как раз там, где находятся планеты. Гравитационная и магнитные силы повлияли на концентрацию и сгущение падающего газа, и в результате образовались планеты. Когда возникли самые крупные планеты, тот же процесс повторился в меньших масштабах, создав таким образом системы спутников. Теории происхождения Солнечной системы носят гипотетический характер, и однозначно решить вопрос об их достоверности на современном этапе развития науки невозможно. Во всех существующих теориях имеются противоречия и неясные места.


Заключение

Как видно из вышесказанного различные подходы, гипотезы и концепции происхождения вселенной внесли огромный вклад в развитие астрофизики и естественнонаучного познания окружающего нас мира в целом.

Важным фактом является то, что данные модели вселенной дали ход и другим направлениям научного познания, особенно связанными с эволюцией вселенной.