Строение Вселенной. Виды галактик

Строение Вселенной. Виды галактик.

Вселенная — совокупность всего, что существует физически. Это совокупность пространства, времени, всех форм материи. Однако термин Вселенная может трактоваться как космос, мир или природа. Астрономические наблюдения позволили установить происхождение Вселенной и её приблизительный «возраст», который по последним данным составляет 13,73 ± 0,12 миллиардов лет. Однако, среди некоторых учёных  существует точка зрения относительно происхождения Вселенной, которая заключается в том, что Вселенная никогда не возникала, а существовала вечно и будет существовать вечно, изменяясь лишь в своих формах и проявлениях. 

 

Строение  Вселенной

В самом крупном масштабе строение Вселенной представляет собой расширяющееся пространство, заполненное губкообразной клочковатой структурой. Стенки этой губчатой структуры Вселенной представляют собой скопления миллиардов звёздных галактик. Расстояния между ближайшими друг к другу галактиками составляют обычно около миллиона световых лет. Каждая звёздная галактика составлена из сотен миллиардов звёзд, которые обращаются вокруг центрального ядра. Размеры галактик составляют до сотен тысяч световых лет. Звёзды состоят в основном из водорода, который является самым распространённым химическим элементом во Вселенной.

Единой  точки зрения, является ли Вселенная  бесконечной или конечной в пространстве и объёме, не существует. Тем не менее, наблюдаемая Вселенная, включающая все местоположения, которые могут  воздействовать на нас с момента  Большого взрыва, конечна, поскольку конечна скорость света. Границей космического светового горизонта является расстояние 24 Гигапарсека. Действительное расстояние до границы наблюдаемой Вселенной больше благодаря всё увеличивающейся скорости расширения Вселенной и оценивается в 93 миллиарда световых лет. Вопрос о модели Вселенной и форме Вселенной является важным открытым вопросом космологии. Говоря математическим языком, стоит проблема поиска такой трёхмерной фигуры, которая наилучшим образом представляет пространственный аспект и строение Вселенной. Во-первых, неизвестно, является ли Вселенная пространственно плоской, то есть применимы ли законы Евклидовой геометрии на самых больших масштабах. Во-вторых, неизвестно, является ли Вселенная множественно-соединённой. Согласно стандартной модели Большого взрыва, Вселенная не имеет пространственных границ, но может быть пространственно ограничена. Это может быть понято на примере двумерной аналогии: поверхность сферы не имеет границ, но имеет ограниченную площадь, причём кривизна сферы постоянна в третьем измерении. Если Вселенная действительно пространственно ограничена, то, двигаясь по прямой линии в любом направлении, можно попасть в начальную точку путешествия.

 

Необычные теории строения Вселенной

 

Экпиротическая  теория происхождения Вселенной

Приверженцы этой теории считают, что  есть параллельная нашей Вселенная, которая время от времени сталкивается с «сестрой». Энергия столкновения приводит к огромным возмущениям пространства, в результате чего появляются частицы, формирующие затем газовые туманности, галактики, звезды и прочие космические тела.

После столкновения Вселенные разбегаются, но чем дальше они разбегаются, тем сильнее начинают притягиваться друг к другу (а почему бы и нет?). Постепенно они начинают снова сближаться, и к тому времени уже никаких звезд и других объектов в обеих Вселенных нет, все равномерно распределено согласно Второму Закону Термодинамики.

Вселенные снова сталкиваются, и  снова энергия столкновения приводит к появлению частиц, и так далее, это бесконечный цикл.

 

Белые дыры

Все мы слышали о существовании  черных дыр. В общем-то, на данный момент об их существовании можно догадываться только по возмущению гравитационных полей/отклонению света. Но ученые уже говорят о существовании белых дыр. Ведь если вещество поглощается черной дырой, где-то же оно должно выбрасываться, правда?

И в теории, точки, где вещество выбрасывается, а не поглощается, действительно существуют, но пока что их не удается обнаружить.

Существование белых дыр, если таковые действительно будут обнаружены, нарушает сразу несколько фундаментальных законов физики. И если действительно белая дыра будет обнаружена, то придется подлатывать фундамент нынешней науки, и очень основательно.

 

Вселенная –  это «Матрица»

Да-да, оказывается, одноименный фильм  был создан по «мотивам» одной  из очень уж экстравагантных теорий, согласно которой вся Вселенная  может быть порождением могущественной компьютерной программы, созданной неизвестно кем. Собственно, и компьютер-то такой никто себе представить не может. Конечно, пока что такая теория может быть только частью фантастического фильма, у нее не особо много приверженцев среди ученых. Но таковые находятся, так что считаться с теорией нужно, она заслуживает права на существование.

 

Вселенная –  порождение Черной дыры

Очень интересная теория, согласно которой  черные дыры, выбрасывающие вещество непонятно куда, на самом деле, создают новые Вселенные, которые появляются даже быстрее, чем грибы после дождя. Каждая частичка, поглощенная черной дырой, может являться началом новой Вселенной, после того, как частичка, наделенная огромной энергией, взорвется. Это будет Большой Взрыв, и таких Взрывов очень много.

Каждая порожденная Вселенная, в свою очередь порождает новые  черные дыры, а те – новые Вселенные.

 

Квантовая теория миров

Эту теорию очень часто используют фантасты в своих произведениях. Суть ее в постоянном разветвлении вариаций. Например, сейчас вы решаете – идти в магазин, или включить ТВ. В одной инвариантности вы идете в магазин, в другой – включаете ТВ. Имеем уже две Вселенных, которые очень слабо отличаются друг от друга, но чем дальше, тем отличия сильнее.

Да и вообще – вариантности «ветвятся» в зависимости от очень многих факторов, включая поведение атомов, которые движутся в разных направлениях и прочее. В результате каждый миг появляются миллиарды миллиардов новых инвариантностей, и чем удаленнее они друг от друга, тем сильнее различаются эти Вселенные.

Образно это можно представить себе как  веер, каждая лопасть которого бесконечно делится, и каждая из последующих  частей снова делится, и так далее…

 

Виды галактик

Эллиптические галактики: 
Эллиптические галактики составляют 25% от общего числа галактик высокой светимости. Их прнято обозначать буквой Е (elliptical), к которым добавляется цифра от 0 до 6, соответствующая степени уплощения системы (Е0 - "шаровые" галактики, Е6 - наиболее "сплюснутые"). Цвет у эллиптических галактик красноватый, так как они состоят преимущественно из старых звезд. 
Холодного газа в таких системах почти нет, но наиболее массивные из них заполнены очень разреженным горячим газом, температурой более миллиона градусов. Излучение спектра этих галактик показывает, что звезды в них движутся с почти одинаковой вероятностью во всех направлениях, а вращаются они медленно. Плотность звезд в единице объема увеличивается к центру и плавно спадает от центра к краю. 

 
Спиральные галактики : 
 
В 1845 г. английский астроном лорд Росс (Уильям Парсонс) с помощью телескопа со 180-сантиметровым металлическим зеркалом обнаружил целый класс «спиральных туманностей», самым ярким примером которых явилась туманность в созвездии Гончих Псов (М 51 по каталогу III. Мессье). Природа этих туманностей была установлена лишь в первой половине XX столетия. В то время интенсивно проводились исследования по определению размеров нашей Галактики — Млечного Пути — и расстояний до некоторых туманностей, которые удалось разложить на звёзды. Выводы были противоречивы как в оценках расстоянии до туманностей, так и в определении масштабов Галактики. Одни исследователи выносили звёздные туманности далеко за пределы нашей Галактики и называли их «островными вселенными» другие (и таких было большинство), наоборот, включали эти туманности в состав Млечного Пути.  
Всё встало на свои места, когда в 20-х гг. в ближайших спиральных туманностях были обнаружены цефеиды, позволившие оценить расстояния до них. 

Цефеиды – звезды переменной светимости, получившие такое название в честь первой такого типа обнаруженной звезде в созвездии Цефея. Яркость цефеид периодически меняется, причем, чем реже вспыхивает звезда, тем большей светимости она достигает в максимуме блеска. Периоды цефеид разные – от часов до месяцев. Вымеряв период пульсации звезды и ее яркость в максимуме, можно определить расстояние к ней.

 Уточнение шкалы расстояний цефеид в 1952 г. удвоило все межгалактические расстояния.

При новой шкале размеры ближайших  спиральных туманностей стали сопоставимы  с размерами Млечного Пути, а иногда и превышали их. Тем самым были получены последние доказательства того, что спиральные туманности – это огромные звёздные системы, сравнимые с нашей Галактикой и удаленные от неё на миллионы световых лет. С тех пор их и стали называть галактиками.  
Спиральные галактики по внешнему виду напоминают чечевицу или двояковыпуклую линзу. На галактическом диске заметен спиральный узор из 2-х и более (до 10) закрученных в одну сторону ветвей или рукавов, выходящих из центра галактики. В спиральных рукавах сосредоточено много молодых ярких звезд и нагреваемых ими светящихся газовых облаков. Диск погружен в разреженное слабосветящееся сфероидальное облако звезд - гало. К этому классу принадлежат половина всех наблюдаемых галактик. Обозначаются - буквой S. Звезды и газ в них обращаются вокруг центра галактики, причем с разной угловой скоростью на разных расстояниях от центра.  
Простой взгляд на фотографию спиральной галактики вызывает восхищение и удивление: каким образом может возникнуть такая система звезд? Какая сила собирает и удерживает звезды в спиральных ветвях? Почему самые яркие, массивные, а значит, короткоживущие звезды находятся в спиральных ветвях, а между ветвями – в основном слабые, долго прожившие звезды? Почему вид галактики напоминает два блюдца, приложенные краями друг к другу? Почему в центре галактик, наблюдаемых с ребра, видно шарообразное «вздутие» (балдж), образуемое моломассивными желтыми и красными звездами? И еще множество подобных вопросов можно задать, если вникать в глубины сотворения мира и вселенной. И чем больше ответов получают ученые – тем больше вопросов постает перед ними. Так было и так будет. Но можно попробовать ответить на некоторые из них, используя те материалы, которыми мы обладаем.  
Плоская, дискообразная форма объясняется вращением. Во время образования галактики центробежные силы препятствовали сжатию протогалактического облака или системы облаков газа в направлении, перпендикулярном оси вращения. В результате газ концентрировался к некоторой плоскости — так образовались вращающиеся диски спиральных галактик. Диск вращался не как единое твёрдое тело (например, колесо): период обращения звёзд по краям диска намного больше, чем во внутренних частях.  
Немало усилий пришлось приложить астрономам, чтобы понять причину других наблюдаемых свойств спиральных галактик. Заметный вклад в исследование их природы висела отечественная наука. Вот как представляют себе природу спиральных ветвей галактик в наши дни.  
Все звёзды, населяющие галактику, гравитационно взаимодействуют, в результате чего создаётся общее гравитационное поле галактики. Известно несколько причин, по которым при вращении массивного диска возникают регулярные уплотнения вещества, распространяющиеся подобно волнам на поверхности воды. В галактиках они имеют форму спиралей, что связано с характером вращения диска. В спиральных ветвях наблюдается повышение плотности, как звёзд, так и межзвёздного вещества — пыли и газа. Повышенная плотность газа ускоряет образование и последующее сжатие газовых облаков и тем самым стимулирует рождение новых звёзд. Поэтому спиральные ветви являются местом интенсивного звездообразования.  
  Спиральные ветви — это волны плотности, бегущие по вращающемуся диску. Поэтому через некоторое время звезда, родившаяся в спирали, оказывается вне её. У самых ярких и массивных звёзд очень короткий срок жизни, они сгорают, не успев покинуть спиральную ветвь. Менее массивные звёзды живут долго и доживают свой век в межспиральном пространстве диска.  
  Маломассивные жёлтые и красные звёзды, составляющие балдж намного старше звёзд, концентрирующихся в спиральных ветвях. Эти звёзды родились ещё до того, как сформировался галактический диск. Возникнув в центре протогалактического облака, они уже не могли быть вовлечены в сжатие к плоскости галактики и потому образуют шарообразную структуру.  
  Балдж и диск галактики погружены в массивное гало. Некоторые исследователи предполагают, что основная масса гало заключена не в звёздах, а в несветящемся (скрытом) веществе, состоящем либо из тел с массой, промежуточной между массами звёзд и планет, либо из элементарных частиц, существование которых предсказывают теоретики, но которые ещё предстоит открыть. Проблема природы этого вещества — скрытой массы — сейчас занимает умы многих учёных, и её решение может дать ключ к природе вещества во Вселенной в целом.  
 
На фотографии поразительной по красоте галактики М 51, называемой Водоворотом в созвездии Гончих псов, видна на конце одной из спиральных ветвей небольшая галактика-спутник. Она обращается вокруг материнской галактики. Удалось построить компьютерную модель образования этой системы. Предполагается, что маленькая галактика, пролетая вблизи большой, привела к сильным гравитационным (приливным) возмущениям её диска. В результате в диске большой галактики создаётся волна плотности спиральной формы. Звёзды, рождающиеся в спиральных ветвях, делают эти ветви яркими и чёткими. 

 
Линзообразные галактики:

  Линзообразные галактики - это промежуточный тип между спиральными и эллиптическими. У них есть балдж, гало и диск, но нет спиральных рукавов. Обозначаются - S0. Их примерно 20% среди всех звездных систем. В этих галактиках яркое основное тело, «линза», окружено слабым ореолом. Иногда линза имеет вокруг себя кольцо. 

 
Карликовые галактики: 
Встречаются среди галактик и карликовые, которые не вписываются в классификацию Хаббла. Они в несколько десятков раз меньше по размерам и массе, чем нормальные галактики. Но галактики-карлики отличаются от остальных не только величиной. Жизненный путь этих звездных систем настолько своеобразен, что накладывает отпечаток и на свойства звезд внутри галактик, и на свойства в целом. Обозначаются - d.  
  Их можно разделить на карликовые эллиптические и карликовые сфероидальные. Галактик с хорошо развитыми ветвями среди карликов не встречается. Скорее всего для образования спиралей нужен массивный звездный диск, масса же карликовых галактик недостаточна для этого. 

 
Радиогалактики: 
Радиогалактики являются мощными источниками радиоизлучения; в радиодиапазоне их излучение значительно мощнее, чем в области оптических длин волн. У большей части мощных радиогалактик основная часть радиоизлучения идет из протяженных областей (сотни тысяч парсек), расположенных симметрично по обе стороны от видимой в оптических лучах галактики. 

 
Большие спиральные звездные системы: 
Существует также класс больших спиральных звездных систем, поверхностная яркость которых намного меньше, чем у нормальных. Необычным в них является низкая плотность звездного диска: новые звезды по неясным причинам почти не рождаются в этих галактиках. Их называют анемичными (хилыми) или спиральными галактиками низкой яркости.