Галактики
Галактика - это астрономическая структура, содержащая от миллионов до миллиардов звезд, газа и пыли, связанных вместе гравитацией. Интересно, что не существует согласованного определения того, что такое галактика. Даже с учетом приведенного выше определения нет различия между галактикой и большим звездным скоплением. Для целей этого обсуждения мы будем считать определяющим фактором галактики существование нескольких поколений звезд, главным образом потому, что это то, чего обычно не хватает звездным скоплениям. Таким образом, мы можем определить галактику как астрономический объект, содержащий от миллионов до миллиардов звезд из нескольких поколений, все из которых связаны гравитацией.
Галактики и великие дебаты
Менее ста лет назад наш взгляд на Вселенную радикально отличался от сегодняшнего. До конца 1930-х годов широко распространялось мнение, что Вселенная состоит не более чем из галактики Млечный Путь и содержащихся в ней звезд и планет. Остальная Вселенная была бесконечной и статичной в своем просторе. Однако сегодня наша картина Вселенной сильно отличается от этой. Теперь мы знаем, что Вселенная не статична и что на самом деле она является домом для сотен миллиардов, возможно, даже триллионов отдельных галактик. Этот взгляд на Вселенную впервые появился на свет в конце 1920-х годов, когда астроном Эдвин Хаббл сделал замечательное открытие, используя обсерваторию Маунт-Уилсон. Используя один из самых совершенных телескопов того времени, Хаббл пытался определить расстояние до того, что считалось звездными туманностями. Туманности - это обширные области звездообразующего вещества, которые существуют по всему Млечному Пути. До 1920-х годов астрономы думали, что то, что мы сейчас знаем как далекие галактики, было туманностями внутри Млечного Пути. Туманности, которыми интересовался Хаббл, были предметом интенсивных споров в астрономии, поскольку различные группы астрономов обсуждали, что именно представляют собой эти объекты. Известный как "Великий спор", астрономы обсуждали, являются ли некоторые из этих далеких туманностей другими галактиками или областями звездообразования в пределах Млечного Пути. Большинство астрономов полагали, что это были далекие туманности, содержащиеся в пределах Млечного Пути, но Хаббл действительно стремился это выяснить.
В то время размер нашей галактики был относительно известен, поэтому все, что нужно было сделать Хабблу, - это определить, как далеко находятся некоторые из этих объектов. Если они простирались за пределы известного размера галактики, они должны быть объектами за пределами галактики и, следовательно, другими галактиками сами по себе. Звучит довольно просто, не так ли? Но это не так просто, как кажется. Знание того, как далеко что-то находится в астрономии, - это то, что большинство из нас считает само собой разумеющимся. Это не всегда было легко. В 1920-х годах для определения того, насколько далеко что-то находится, в основном использовался метод параллакса. Проблема с параллаксом заключается в том, что он не позволяет вам определять расстояния за пределами Млечного Пути. Если бы эти объекты находились за пределами галактики, они могли бы находиться на расстоянии миллионов световых лет. Требовалась новая техника, и Хаббл нашел именно то, что нужно было искать.
В астрономии вы можете математически связать яркость и расстояние, и поэтому, если вы знаете одно, вы можете определить другое. Но как вы определяете яркость? Есть разница между тем, насколько ярким что-то является, и тем, насколько ярким оно кажется. Например, представьте, что на расстоянии фута перед вами находится 5-ваттная лампочка, а на расстоянии километра - 8-ваттная. Для вас 5-ваттная лампочка ярче. Однако он кажется более сияющим только потому, что находится ближе к вам. Этот тип яркости называется видимой величиной. Если бы вы могли измерить их фактическую яркость, называемую абсолютной величиной, вы бы обнаружили, что, несмотря на внешний вид, дальняя лампочка на самом деле ярче. Это затрудняет определение расстояний в космосе, поскольку яркая звезда может находиться ближе или дальше и излучать больше энергии. Поскольку существует несколько различных типов звезд, это делает задачу еще более сложной. Однако Хаббл использовал уникальный вид звезды для определения расстояния. Такие звезды называются переменными цефеидами, и они могут быстро изменять свою энергетическую мощность и яркость. Однако эти изменения постоянны и регулярны, что позволяет астрономам определять их абсолютную яркость на огромных расстояниях. Эти звезды позволили Хабблу определить расстояние до туманности Андромеды, которое он определил как около двух миллионов световых лет. Это помещало его далеко за пределы Млечного Пути, и поэтому он не мог быть туманностью. Вместо этого Хаббл обнаружил, что Туманность Андромеды на самом деле была Галактикой Андромеды. Наша картина Вселенной навсегда изменилась. За короткий промежуток времени наш взгляд на Вселенную изменился с маленькой статичной вселенной, содержащей только одну галактику, на Вселенную, которая может быть бесконечной по своим просторам и является домом для сотен миллиардов других галактик. Открытие нашего места во Вселенной произошло совсем недавно. Это было открытие, которое почти так же изменило перспективу, как открытие, что Земля - всего лишь одна планета на орбите вокруг звезды, которая является одной из многих в гигантской галактике. Вселенная превратилась из конечной в бесконечную за считанные годы. Астрономия и наука изменились навсегда.
Спиральные галактики
Галактики бывают самых разнообразных форм и размеров. Подобно снежинкам, каждая галактика по-своему уникальна. Существует четыре различных типа галактик: спиральные, эллиптические, неправильные и кольцевые. Внутри каждой из этих групп также существуют подгруппы. Например, спиральные галактики делятся на нормальные спирали и запрещенные спирали. Наша родная галактика, Млечный Путь, представляет собой спиральную галактику, и поэтому спирали, вероятно, являются наиболее знакомым обычным людям типом галактик. Спиральные галактики являются наиболее распространенным типом галактик во Вселенной, причем спирали составляют примерно 70% всех известных галактик.
Спиральные галактики - одно из самых ярких зрелищ природы. При наблюдении в небольшой телескоп они выглядят как большие облачные диски, и вы, скорее всего, не смогли бы отличить галактику от облака. Однако в большие телескопы становится виден их истинный блеск. Большая часть того, что известно о спиральных галактиках, получена из наблюдений за нашей галактикой, Млечным Путем. К сожалению, мы не можем различить форму нашей галактики, потому что мы существуем внутри Млечного Пути. Из наблюдений за другими спиральными галактиками мы знаем, что Млечный Путь также должен быть спиральным из-за физических характеристик, общих для всех спиралей. К ним относятся центральная выпуклость звезд, окруженная звездным диском, огромное количество звездообразующего материала и движение звезд внутри галактики.
Как именно формируется спиральная галактика? Как группа из многих миллиардов звезд оказалась в такой потрясающей форме? Сложная спираль - одно из самых красивых творений природы. Все, что вам нужно, это время и физика, а также множество звезд. Вся материя в спиральной галактике вращается вокруг галактического центра. Когда-то предполагалось, что спиральная форма была создана потому, что звезды, расположенные ближе к центру галактики, вращаются быстрее, чем те, что находятся дальше. Оказалось, что это не так, хотя нечто подобное и произошло. Вместо того, чтобы различия в скорости звезд были причиной, оказывается, что сами спиральные рукава вращаются с разной скоростью. Когда материал перемещается между спиральными рукавами, например, быстро движущийся материал перемещается в медленно движущийся рукав, он ударяется о стену и замедляется. Это может сжать звездный материал, что приведет к волне звездообразования. Звезды плотнее газовых облаков и поэтому движутся медленнее, чем окружающий материал. Со временем звездный материал движется впереди звезд и сжимается, образуя все больше звезд и продолжая этот процесс. Эти различия в скорости и обмене веществом создают и поддерживают спиральные структуры этих великолепных галактик. Однако на самом деле это не причина, по которой галактика становится спиральной. Сами спиральные рукава содержат гораздо более высокую плотность материала, чем другие области, поэтому, когда газ и пыль попадают в область с высокой плотностью, они сжимаются и образуют звезды. Интересно, что сами рычаги движутся медленнее, чем материал внутри них. Эти изменения плотности создают волны плотности, которые распространяются по галактике и создают спиральную форму.
Неправильные галактики
Неправильные галактики бывают двух типов: 1-го и 2-го типов. Основное различие между ними заключается в том, насколько они похожи на спиральные галактики. Неправильные формы типа 1, как правило, имеют форму, напоминающую спирали. Как и спиральные галактики, они имеют центральную выпуклость звезд вместе с относительно плоским диском, окружающим эту выпуклость. В отличие от спиралей, неправильные формы типа 1 не очень симметричны и обычно имеют неправильную и асимметричную форму. Считается, что нерегулярные объекты 1-го типа когда-то были спиралями и, вероятно, деформировались во время галактического столкновения. Когда две или более галактик приближаются друг к другу, гравитационное притяжение между ними искажает их форму, превращая то, что когда-то было спиральной галактикой, в неправильную галактику 1-го типа. Нерегулярные образования типа 2 не имеют заметной или определенной формы. В отличие от неправильных объектов 1-го типа, они имеют минимальное сходство со спиралями, но, вероятно, тоже образовались во время галактического столкновения. Вполне возможно, что во время галактического столкновения спиральная галактика, вероятно, эволюционирует в нерегулярную галактику 1-го типа, а затем в нерегулярную галактику 2-го типа в течение многих миллионов лет.
Интересно, что большинство неправильных галактик относительно невелики, в среднем около 10 миллиардов звезд в каждой. Хотя это кажется огромным числом, оно составляет лишь около 10% звезд нашего Млечного Пути. Их относительно небольшое количество звезд также делает неправильные галактики довольно тусклыми по сравнению с другими галактиками, причем только около 10% самых ярких галактик являются неправильными.
Эллиптические галактики
Часто говорят, что если вы видите одну эллиптическую галактику, значит, вы видели их все. Это связано с тем, что, в отличие от спиралей и неправильных форм, эллиптические галактики обычно имеют только одну форму. Каждая эллиптическая галактика выглядит как огромный яйцевидный пучок звезд. Из-за их относительно скучной формы они могут показаться неинтересными, но ничто не может быть дальше от истины. Их формы, возможно, не уникальны, но эллиптические галактики - самые большие галактики во Вселенной. Самой большой известной галактикой является эллиптическая галактика, известная как IC 1101. IC 1101 - это гигант диаметром более шести миллионов световых лет и массой более 100 триллионов звезд. IC 1101 в три раза больше расстояния между Млечным Путем и Андромедой. Как именно галактика вырастает до таких огромных размеров? Просто поглотите все остальные галактики вокруг вас. Каждая большая эллиптическая галактика, вероятно, претерпела бесчисленные галактические слияния на протяжении миллиардов лет, что позволило им вырасти до огромных размеров. Большинство эллиптических галактик, вероятно, родились после слияния двух или более спиральных галактик.
Интересно, что большая часть физических характеристик эллиптической галактики может быть объяснена слияниями галактик. В дополнение к их форме, слияния галактик объясняют, почему эллиптические галактики в основном лишены звездообразующего материала. Во время слияния галактик гравитационные силы приведут к тому, что большая часть звездообразующего вещества галактики сформирует огромное множество звезд. Этот процесс может длиться миллионы лет, и к тому времени, когда он завершится, галактика израсходует большую часть своего звездообразующего материала. Самые массивные из образующихся звезд превратятся в сверхновые менее чем через сто миллионов лет, и в конечном итоге в эллиптической галактике не останется ничего, кроме красных звезд небольшой массы.
Кольцевые галактики
Кольцевые галактики, пожалуй, самые своеобразные из всех галактик. Каждая кольцевая галактика имеет центральную выпуклость, окруженную ореолом звезд и туманностей. Область, расположенная между центральной и внешней областями, кажется пустой. Большинство кольцевых галактик имеют внешний вид, напоминающий спиральные галактики. Это не совпадение. Большинство кольцевых галактик, вероятно, были спиральными галактиками в какой-то момент своего существования. Иногда некоторые из этих спиральных галактик сталкивались в интригующей ориентации. Когда две спиральные галактики сталкиваются, и случается, что одна проходит прямо через центр другой, гравитационное воздействие проходящей галактики выталкивает материал наружу, образуя ореол вокруг центральной выпуклости. Этот процесс также вызывает волну звездообразования, в результате чего во внешнем гало образуется обилие молодых звезд с большой массой.
Галактические слияния
По мере расширения Вселенной большинство галактик удаляются все дальше друг от друга. Однако в некоторых случаях галактики могут сближаться друг с другом и взаимодействовать. Когда две или более галактик движутся слишком близко друг к другу, они начинают сливаться в одном из самых жестоких и зрелищных событий в космосе. Одним из наиболее очевидных наблюдений слияния галактик является их искаженная форма из-за экстремальных гравитационных сил. В спиральных галактиках спиральные рукава могут растягиваться и искажаться по мере того, как гравитация другой галактики растягивает их. Типичное слияние галактик может длиться сотни миллионов лет, и в процессе две галактики могут стать неузнаваемыми по сравнению с их более ранними формами. Современные модели предсказывают, что столкновение двух больших спиральных галактик приводит к образованию более крупной эллиптической галактики, почти лишенной звездообразующего материала.
Интересно, что почти каждая эллиптическая галактика практически не содержит звездообразующего материала, в то время как спиральные галактики богаты звездными питомниками. Галактические слияния помогают объяснить это наблюдение. Во время слияния галактик приливные силы гравитации обеих галактик заставляют звездный газ внутри двух галактик нагреваться и слипаться, что приводит к увеличению звездообразования. Маловероятно, что какие-либо звезды сталкиваются во время слияния из-за огромных расстояний между ними. Однако большие туманности могут разбиться из-за их гораздо большей площади поверхности. Когда туманности сталкиваются, звездный материал может слипаться, непосредственно повышая температуру и давление. Столкновение может привести к быстрому увеличению скорости звездообразования. Скорость звездообразования настолько велика, что к моменту завершения слияния большая часть звездообразующего вещества исчезает. Эта фаза быстрого рождения звезд называется фазой звездообразования, и любая галактика в пределах этой фазы называется галактикой звездообразования. По прошествии многих миллионов лет все успокаивается, и рождается новая, гораздо более крупная эллиптическая галактика.
