Магнитные поля. Красное смещение

                                    Местная группа галактик

                                                 Квазары

В 1963 году были открыты квазары – самые мощные источники радиоизлучения во Вселенной со светимостью в сотни раз большей светимости галактик и размерами в десятки раз меньшими их. Возможно, что квазары представляют собой нестационарные ядра новых галактик, и процесс образования галактик продолжается и поныне. Квазары имеют звёздообразный вид. Для квазаров характерно внетепловое излучение, широкие эмиссионные линии со значительным красным смещением. Известно измеренных более 1500 квазаров, больше оптических, чем радиоквазаров. Около нескольких близких квазаров обнаружены слабые туманности, состоящие из звёзд. По светимости они примыкают к сейфертовским галактикам, обладают переменностью излучения и выбросами вещества с огромными скоростями. Поглощающей средой могут быть короны галактик или отдельные облака холодного газа в межгалактическом пространстве. При небольших размерах (не более 1 светового месяца) средний квазар излучает вдвое больше энергии, чем вся наша Галактика, имеющая в поперечнике размер в 100 тысяч световых лет и состоящая из 200 млрд. звёзд. В 2000 г. американские астрономы обнаружили квазар на расстоянии 24 млрд. световых лет от Земли (время, прошедшее с момента Большого Взрыва до сих пор считалось 13,9 млрд. лет). И, на первый взгляд, совершенно непонятно, как за это время квазар мог «улететь» столь далеко – ведь тогда он должен был двигаться почти в два раза быстрее света. А сверхсветовые движения материальных объектов запрещены теорией относительности. Расстояние до этого квазара рассчитали по красному смещению спектра излучения. Огромное расстояние до квазара получило объяснение в рамках теории «горячей вселенной»: в первые мгновения после Большого Взрыва наступила стадия инфляции, когда Вселенная оказалась разбита на множество изолированных областей. Каждая область расширялась со скоростью, близкой к скорости света, а вселенная целиком – со скоростью, в млн. раз превышающей её. Противоречия с теорией относительности в этом нет. Теория накладывает ограничение на скорость движения материи, а во время инфляции «раздувалось» само пространство. Открытие этого квазара почти в два раза расширило границы видимой части вселенной и послужило доказательством справедливости современных космологических представлений.

                                     Местная группа галактик

Наиболее исследована местная группа галактик. В неё входят 14 карликовых эллиптических галактик, несколько внегалактических шаровых скоплений и ряд неправильных галактик. Недавно открыта новая галактика Сникерс на расстоянии всего 55 световых лет. К семейству Туманности Андромеды относится 1 спиральная и 2 эллиптические и несколько карликовых галактик. Соседние группы галактик располагаются в 2-5 Мпк от Местной группы и по составу похожи на неё. Несколько десятков таких групп галактик найдено в пределах 10-20 Мпк около нашей Галактики. Ближайшее скопление галактик находится в созвездии Девы на расстоянии около 20 Мпк (в его составе 7 эллиптических галактик, в т.ч. радиогалактика, 10 спиральных галактик. Всего в скопление входит около 200 галактик высокой и средней светимости (1/3 – эллиптические и линзообразные, остальные – спиральные галактики). Размеры скопления составляют » 5 Мпк, центральная плотность – около 500 галактик на 1 Мпк3.Ярчайшими галактиками в скоплениях являются обычно линзообразные сверхгиганты системы (сD-галактики). Скопления в Деве - центральное сгущение Сверхскопления галактик. Яркие галактики расположены по небу не беспорядочно, а поясом, который называют Млечным Путём (1/3 – эллиптические и линзообразные). В других галактиках преобладают эллиптические галактики. Соседние с местной группой галактик 10-13-й величины вращаются вокруг скопления в Деве. Общее число галактик нашего сверхскопления, исключая карликовые, - около 20 000. Его соседями являются сверхскопления во Льве (на расстоянии 140 Мпк) и в Геркулесе (190 Мпк). Всего выявлено пока около 50 сверхскоплений. Во второй главе рассмотрел наиболее иследованные галактики и самые мощные источники радиоизлучения – квазары.

                             Наша Галактика – Млечный Путь

Наша Галактика – это гигантская звёздная система из 200 млрд. звёзд (среди них и Солнце), газа и пыли. Галактика пронизана магнитными полями, заполнена частицами высоких энергий – космическими лучами. По форме звёзды Галактики образует в пространстве сложную фигуру, которая выглядит как плоский диск с шарообразным утолщением (балдж) в центре. От центральной области к периферии диска отходят спиральные рукава, в которых преимущественно концентрируются наиболее яркие звёзды Галактики. Нашу Галактику относят к широко распространённому классу спиральных галактик. Наша Галактика состоит из ядра и нескольких спиральных ветвей. Большая часть звёзд сосредоточена в гигантском «диске». Диаметр Галактики около 100 000 световых лет (» 30 кпк), толщина её < в 10 – 15 раз , а масса Галактики 2∙1011 масс Солнца. Около 1% этой массы составляет межзвёздный водород, преимущественно нейтральный. Возраст Галактики около 15 млрд. лет. (По другим данным: возраст Нашей Галактики определяется по синтезу элементов и составляет 9-11 млрд. лет.)

Земной наблюдатель видит диск «с ребра», и огромное количество удалённых звёзд сливается для наблюдателя в одну размытую светящуюся полосу, пересекающую ночное небо - Млечный Путь. Солнечная система находится в Нашей на расстоянии около 30 тыс. световых лет от центра, лежит в плоскости его симметрии. И обращается вокруг центра со v» 220 км/с, совершает один оборот вокруг центра галактики за 250 млн. световых лет (галактический год). Центр нашей Галактики лежит в направлении на созвездие Стрельца. Наша Галактика вращается вокруг центра Местной системы галактик (»на 2/3 пути между нашей Галактикой и Туманностью Андромеды, на расстоянии 0,46 Мпк от Нашей Галактики). Большая часть массы Галактики находится в короне (протяженной сфероидальной области за пределами гало). Звёздный состав Нашей Галактики разнообразен по возрасту, химическом составу, характеру орбит и скоростей, пространственному расположению. В галактике отчётливо выделяются звёздные подсистемы. Диапазон возрастов звёзд очень велик. Химический состав вещества галактики менялся на протяжении её эволюции. Звёзд с первичным химическим составом (из водорода и гелия) не обнаружено. В галактике (за исключением её центра) отдельные звёзды практически не взаимодействуют друг с другом. Звёзды Галактики по-разному распределены в пространстве: старые звёзды заполняют сферический V с r»20 кпк (концентрация растёт к центру); молодые (около 100 тыс. лет) концентрируются в гигантский тонкий диск толщиной, в десятки раз меньшей его радиуса. Некоторые звёзды рождаются и в настоящее время. Большинство звёзд имеет «средний» возраст – несколько млрд. лет.

Кроме диска и гало есть ещё корона Галактики, природа населения которой не установлена. Отдельно рассматривают центральную область Галактики – балдж и находящееся в нём ядро. В ядре есть нейтральный водород, который растекается оттуда в плоскости Галактики со v»50 км/с. Создают излучение ядра оранжевые звёзды-гиганты. В центре ядра находится сгущение звёзд с малым, но компактным и сильным радиоисточником (Стрелец А). Возможно, что он является чёрной дырой (массой равной примерно миллиону солнечных масс). К населению диска относятся звёзды главной последовательности с нормальным содержанием тяжёлых элементов, звёзды-гиганты, белые карлики планетарные туманности и другие. Более молодое население диска выделяют в плоскую подсистему. Это ОВ-звёзды и их ассоциации, межзвёздные газ и пыль, сверхгиганты и цефеиды, зоны ионизированного водорода, пульсары, многие галактические источники гамма- и рентгеновского излучения. Населения гало включает шарообразные скопления (в которых есть источники рентгеновского излучения), субкарлики, переменные звёзды типа RR Лиры с дефицитом тяжёлых элементов. Гало отличается слабым вращением и большой дисперсией скоростей. Первоначальное (дозвёздное) вещество Нашей Галактики содержало по массе около 75% водорода и 25% гелия. Галактика сформировалась из медленно вращающегося водородно-гелиевого газового облака, начальные размеры которого в десятки раз превосходили современные размеры галактики. Характерное время стадии свободного сжатия под действием собственной гравитации, когда рождалось население гало, составляет »1 млрд. лет. В итоге сформировался тонкий газовый диск. Параллельно идёт обогащение межзвёздной среды тяжёлыми элементами. Звёзды диска образуются из вещества, участвовавшего в термоядерных реакциях в недрах звёзд и обогащённого тяжёлыми элементами, поэтому они богаче тяжёлыми элементами, чем образовавшиеся ранее звёзды гало. По той же причине молодое население диска содержит больше тяжёлых элементов, чем старое. Звёздообразование останавливается на несколько млрд. лет, чем можно объяснить разрыв между возрастами звёзд гало и диска. В плоской подсистеме Нашей Галактики находится большое количество газа и пыли (хорошо видимое раздвоение Млечного Пути в северной части неба), поглощающих свет многочисленных далёких звёзд.

В окрестности Солнца существуют три области концентрации молодых объектов: в одной - Солнце (рукав Ориона). Вторая - ветвь Персея (на расстоянии около 1,5 кпк от Солнца). Третья - ветвь Стрельца (на расстоянии около 1.2 кпк). Рукав Ориона – это небольшое ответвление от спирального рукава. В Нашей Галактике центральная область скрыта от нас мощным слоем пыли, ослабляющим свет в десятки тысяч раз. В самом центре Нашей Галактики, в пределах 1 пк, находятся дискретные источники радио-, ИК- и рентгеновские излучения. В центре Галактики обычно выделяют три области. Первая область интересна особенностями кинематики и распределения газа. Вторая область включает в себя звёздный балдж и околоядерный газовый диск. Третья область – ядро с радиусом в несколько пк. Не исключено, что распределение веществ в центре галактики ассиметрично. У нашей Галактики может быть перемычка. Большой интерес представляет химический состав ядра Галактики. Звёздная плотность ядра высока. Температура зон в ядре Галактики выше, чем зон в спиральных рукавах (это говорит об отсутствие повышенного содержания тяжёлых элементов в ядре Галактики). Из этой главы можно сделать вывод что наша галактика таит в себе еще очень много секретов которые человечеству только предстоит изучить.

                            Магнитные поля. Красное смещение

                                Магнитные поля галактик

В 1949 г. Астрономы пришли к выводу, что в межзвездном пространстве существуют магнитные поля. Магнитное поле должно заполнять всю Нашу Галактику. В присутствии магнитного поля устанавливается динамическое равновесие между полем и движением вещества, происходит равномерное распределение энергий. Разряженный газ должен образовывать галактическую корону – сферическую подсистему толщиной в несколько тысяч парсек. В 1977 г. была разработана теория регулярного ускорения космических лучей на фронте ударной волны. Слабое магнитное поле может образоваться в небольшом объеме. Так, если в газе образовалось уплотнение, то электроны будут «рассасываться» быстрее, чем ионы, что приводит к возникновению слабых магнитных полей. Может происходить усиление поля (неоднородная температура вещества). В результате вращения Галактики конденсации межзвездного газа, пронизанные магнитными полями, вытягиваются, образуя спиральные ветви. Другое предположение: магнитное поле Галактики имеет внегалактическое происхождение. Слабое поле могло существовать веществе, из которого сформировалась Галактика. В процессе эволюции нашей звездной системы оно усиливалось и закручивалось ее вращением. Первым признаком магнитного поля является поляризация света (открыта астрономами Домбровским и Хильтнером). Вторым свидетельством являются космические лучи – заряженные тяжёлые элементарные частицы высоких энергий, влетающие со всех сторон в земную атмосферу, движение которых отклоняется от прямолинейного из-за взаимодействия с магнитным полем Галактики. Мощные потоки заряженных тяжёлых элементарных частиц высоких энергий образуются при вспышках сверхновых звёзд (Гинзбург и Шкловский). И тогда заряженные тяжёлые частицы накапливаются в Галактике. Если в Галактике имеется магнитное поле, то эмиссионная линия нейтрального водорода должна обнаружить расщепление. Английский астроном Дэвис подтвердили это своим наблюдением. Магнитное поле удерживает космические лучи в галактике, влияет на движение межзвездного газа. Поляризация обусловлена взаимодействием света с пылинками удлинённой формы, которые ориентированы магнитным полем. Более сильные поля связаны с плотными облаками газа. В галактической окрестности Солнца известны области регулярного поля с усиленным синхротронным излучением (дугообразно выступают над плоскостью галактического диска и являются старыми остатками вспышек сверхновых звёзд). В других спиральных галактиках обнаружены крупномасштабные магнитные поля, идущие вдоль спиральных ветвей. Они проявляются в повышенной интенсивности синхротронного излучения из области ветвей. В ветвях происходит сжатие газа, и магнитное поле, будучи «вмороженным» в газ, также сжимается. При этом оно «тянет» за собой релятивистские электроны. В результате увеличения напряжённости поля и плотности релятивистских электронов интенсивность синхротронного излучения увеличивается во много раз. Магнитное поле в спиральных рукавах Нашей Галактики направлено приблизительно вдоль рукавов. давление поля в направлении, перпендикулярном силовым линиям, оказывается достаточным, чтобы уравновесить силу тяжести, действующую на газ. Это не позволяет межзвёздному газу стечь к плоскости Галактики и быстро сконденсироваться в звёзды. Можно сказать, что межзвёздный газ сохранился благодаря тому, что в нём есть магнитное поле. Магнитные поля очень важны для наших галактик без них просто не возможно функционирование внутри галактики.

                        Красное смещение. Закон Хаббла.

Постоянная Хаббла

Одна из проблем внегалактической астрономии связана с определением расстояний до галактик и их размеров. В настоящее время измерены красные смещения тысяч галактик и квазаров. В 1912 г. американский астроном В. Слайфер обнаружил эффект красного смещения в спектрах далёких галактик. В 1929 г. американский астроном Эдвин Хаббл, сравнивая расстояния до галактик и их красные смещения, обнаружил, что последние растут в среднем пропорционально расстояниям (закон Хаббла), что и подтверждало гипотезу об удалении галактик, т. е. о расширении Метагалактики – видимой части Вселенной. Красное смещение – увеличение волн линий в спектре источника (смещение линий в сторону красной части спектра) по сравнению с линиями эталонных спектров. Наибольшие красные смещения наблюдаются в спектрах далёких внегалактических объектов – галактик и квазаров – и интерпретируются как следствие расширения Вселенной. Величина смещения в первом приближении прямо пропорциональна лучевой скорости объектов, которая для внегалактических объектов пропорциональна расстоянию. Закон Хаббла обычно используется для определения расстояний до внегалактических объектов по их красному смещению, если последнее достаточно велико. Красное смещение для наиболее далёких из известных галактик составляют приблизительно больше 1, а для ряда квазаров превышают 3,5. H – постоянная Хаббла (составляет от 50 до 100 км/(с∙Мпк)). Значение постоянной Хаббла характеризует скорость расширения Вселенной в современную эпоху и по порядку величины определяет время, протекшее с начала расширения до сегодняшнего момента. Для многих далёких внегалактических объектов закон Хаббла служит единственно достаточно надёжным способом оценки расстояний. Скорости удаления по красному смещению определяются сравнительно легко, в результате из данных о скорости и расстоянии находят постоянную Хаббла. Галактики и скопления галактик обладают ещё собственными движениями. Поэтому экспериментально определённое значение постоянной может считаться известным с точностью » 50%. Если принять Н=75 км/(с×Мпк), то расширение Вселенной началось приблизительно 13 млрд. лет назад. Другие оценки дают значение 10-20 млрд. лет. (По последним данным обнаружен квазар на расстоянии 24 млрд. световых лет от Земли.) Для очень больших расстояний необходимо учитывать эффекты общей относительности.Красное смещение надёжно подтверждает теоретический вывод о нестационарности области нашей Вселенной с линейными размерами порядка нескольких миллиардов лет. В то же время кривизна пространства не может быть измерена, оставаясь теоретической гипотезой.