Галактика

Галактика Млечный Путь

Галактика — огромное скопление звезд, межзвездного газа и пыли, планет, комет и астероидов, черных дыр и тёмной материи, которые взаимосвязаны вместе гравитацией.

Точное количество галактик в наблюдаемой части Вселенной до сих пор остается неизвестным. Согласно общепринятым научным оценкам на 2024 год, основанных на данных от космического аппарата New Horizons, галактик во вселенной несколько сотен миллиардов. Галактики распределены в пространстве неравномерно: в одних областях можно найти целые группы, в то время как в других, так называемых войдах, галактики отсутствуют. Они обладают значительным разнообразием форм, включая сферические эллиптические галактики, спиральные с диском, галактики с баром, линзовидные, карликовые и неправильные.

С Земли, в разных полушариях, на небе возможно увидеть четыре галактики: галактику Андромеды, Большое и Малое Магеллановы Облака и галактику М33.

История изучения

В 1610 году Галилео Галилей с помощью телескопа обнаружил, что Млечный Путь состоит из огромного числа слабых звёзд. В трактате 1755 года, основанном на работах Томаса Райта, Иммануил Кант предположил, что Галактика может быть вращающимся телом, которое состоит из огромного количества звёзд, удерживаемых гравитационными силами, сходными с теми, что действуют в Солнечной системе, но в бо́льших масштабах. С точки наблюдения, расположенной внутри Галактики (в частности, в нашей Солнечной системе), получившийся диск будет виден на ночном небе как светлая полоса. Кант высказал и предположение, что некоторые из туманностей, видимых на ночном небе, могут быть отдельными галактиками.

Детальное изучение галактик началось сравнительно недавно, если рассматривать всю историю астрономии. Вплоть до начала XX века ученые не имели четкого понимания, что именно представляют собой туманности, наблюдаемые на ночном небе. Эти объекты, часто видимые как размытые пятна, долгое время считались просто облаками межзвездного газа внутри Млечного Пути.

В 1910 году Джордж Ричи на 60-дюймовом телескопе обсерватории Маунт-Вилсон получил снимки, на которых было видно, что спиральные ветви больших туманностей усыпаны звездообразными объектами, но изображения многих из них были нерезкие, туманные. Это могли быть и компактные туманности, и звёздные скопления, и несколько слившихся изображений звёзд.

Решающий момент в понимании природы галактик наступил в 1920-х годах. Американский астроном Эдвин Хаббл с помощью самого мощного на тот момент телескопа, расположенного на горе Вилсон, смог доказать, что многие из наблюдаемых туманностей на самом деле являются отдельными галактиками, расположенными за пределами нашей собственной. Хаббл также установил, что Вселенная расширяется, обнаружив связь между расстоянием до галактик и скоростью их удаления от Земли. Это открытие стало важной вехой в астрономии и заложило основы для современной космологии.

Изучение галактик в СССР началось в начале XX века и связано с выдающимися достижениями в астрономии и астрофизике. Советская школа астрономии и астрофизики в значительной степени способствовала пониманию структуры и динамики галактик, а также их эволюции. В начале XX века астрономия в Советском Союзе находилась в стадии становления. Одним из первых значительных достижений было развитие фотометрии и спектроскопии. В 1920-е годы советские астрономы начали проводить систематические наблюдения звездных систем и их характеристик. Одним из пионеров был астроном и математик Александр Александрович Фридман, который в 1922 году разработал одну из первых моделей расширяющейся вселенной, предвосхитив тем самым современное представление о галактиках. В середине XX века ключевую роль в развитии астрономии и астрофизики сыграл Виктор Амазаспович Амбарцумян. В 1947 году он предложил модель, которая объясняла образование галактик из газовых облаков. Амбарцумян также сделал значительный вклад в изучение квазаров и активных галактических ядер, которые стали важными объектами исследований. Его работа была важной в контексте понимания структуры и динамики галактик.

Галактика Млечный Путь (другой ракурс)

В 1960-е годы в Советском Союзе началось систематическое изучение структуры галактик. Большое внимание уделялось спиральным и эллиптическим галактикам. Кроме того, в этот период были проведены значимые наблюдения, в том числе спектроскопические исследования, которые позволили уточнить параметры галактик и их взаимодействие. Важным этапом стало создание первых каталогов галактик и изучение их распределения в пространстве. В 1970-е и 1980-е годы советская астрономия достигла новых высот. Одним из наиболее значительных проектов был запуск космического телескопа «Спектр-РГ», который позволил получить данные о рентгеновских источниках, включая галактики и кластеры галактик. Эти наблюдения существенно расширили знания о высокоэнергетических процессах в галактиках и их взаимодействиях. Советские астрономы также сделали значительный вклад в разработку теории космологии и реликтового излучения. Работы в этой области способствовали созданию более полной картины формирования и эволюции галактик во Вселенной.

После открытия Хаббла исследование галактик получило новый импульс. В середине XX века, с развитием радиотелескопов, ученые начали изучать не только видимую, но и невидимую часть галактик, в том числе радиоволны и инфракрасное излучение. Это позволило раскрыть много новых деталей о структуре и составе галактик. Важным достижением стало открытие того, что большинство галактик содержит в центре сверхмассивные черные дыры.

С запуском в 1990 году космического телескопа «Хаббл» начался новый этап в исследовании галактик. Этот телескоп позволил ученым получать изображения с беспрецедентным разрешением, что дало возможность более детально изучать как близкие, так и далекие галактики. Открытия, сделанные с его помощью, значительно расширили наши представления о Вселенной, включая обнаружение галактик, сформировавшихся в ранние этапы существования Вселенной.

В 2016 году, основываясь на данных «Хаббла», ученые пересмотрели свои оценки количества галактик во Вселенной, увеличив их до двух триллионов. Однако дальнейшие исследования, проведенные с использованием данных космического аппарата New Horizons в 2021 году, вновь снизили эту оценку до нескольких сотен миллиардов. Современные исследования показывают, что галактики распределены во Вселенной неравномерно: в некоторых областях они образуют плотные скопления, в то время как в других, известных как войды, их почти нет.

Изображение ядра активной галактики с рекордно высоким за всю историю астрономии угловым разрешением получила Российская космическая обсерватория «Радиоастрон», о чём объявила в 2016 году. Благодаря серии наблюдений, проведённых при участии обсерватории и полутора десятков наземных радиотелескопов, учёным удалось получить рекордное угловое разрешение — 21 микросекунда дуги. Объектом наблюдения астрономов была BL Ящерицы. Это сверхмассивная чёрная дыра, находящаяся в центре галактики. Её окружает диск плазмы температурой в миллиарды градусов. Массивные магнитные поля и высочайшие температуры создают джеты — газовые струи, длина которых до нескольких световых лет. Гипотезы и теоретическое моделирование показали, что благодаря вращению чёрной дыры и аккреционного диска линии магнитного поля должны создать спиральные структуры, а они ускоряют движение потока вещества в джетах. Все это удалось увидеть с помощью снимков орбитального телескопа «Радиоастрона».

Сегодня известно, что галактики отличаются значительным разнообразием форм и размеров. Среди них выделяют сферические эллиптические галактики, дисковые спиральные галактики, галактики с перемычкой, линзовидные, карликовые и неправильные. Эти различия связаны как с процессами их формирования и эволюции, так и с условиями окружающей среды, в которой они находятся.

Классификация

Спиральная галактика Андромеда

Классификация галактик представляет собой систематическое распределение галактик на основе их морфологических и физических характеристик. Это важный аспект астрономии, помогающий в понимании структуры и эволюции Вселенной. Основные системы классификации включают схемы, предложенные Эдвином Хабблом и более современные подходы.

Классификация по Хабблу

Первоначальная и наиболее известная классификация галактик была предложена американским астрономом Эдвардом Хабблом в 1926 году. Эта система делит галактики на несколько основных типов в зависимости от их морфологических особенностей:

1. Спиральные галактики (S): Спиральные галактики характеризуются наличием спиральных рукавов, которые исходят из центрального бара или ядра. Они делятся на несколько подклассов:
   • Нормальные спиральные галактики (S): Имеют выраженные спиральные рукава и могут быть классифицированы по степени их развертки: Sa (туго завитые рукава), Sb (слабо завитые рукава), и Sc (плохо выраженные рукава).
   • Спиральные галактики с баром (SB): Имеют вытянутую структуру в виде бара, проходящего через центральную область. Подклассы включают SBa, SBb, и SBc, которые отличаются по степени выраженности бара и спиральных рукавов.
2. Эллиптические галактики (E): Эти галактики имеют сферическую или эллиптическую форму и отличаются отсутствием заметных структурных особенностей, таких как спиральные рукава. Классификация осуществляется на основе эксцентриситета формы, с подклассами от E0 (почти круглая) до E7 (сильно вытянутая).
3. Неправильные галактики (Irr): Неправильные галактики не имеют явно выраженной структуры, как спиральные или эллиптические. Они могут быть асимметричными и часто содержат значительное количество газа и звездных скоплений. Эти галактики делятся на два подкласса: Irr I (имеют определённые звездные скопления и облака) и Irr II (не имеют ярко выраженных структурных особенностей).

Современные подходы к классификации

Современные исследования привели к расширению классификации галактик с учётом их физических характеристик и динамических свойств. Включены следующие аспекты:

1. Активные галактические ядра: Некоторые галактики обладают активными ядрами, которые излучают огромное количество энергии. Эти ядра могут быть квазарами, радиогалактиками или Seyfert-галактиками. Активность может указывать на наличие сверхмассивной чёрной дыры в центре.
2. Галактики с высоким красным смещением: Галактики, наблюдаемые на больших расстояниях, часто обладают значительным красным смещением. Эти галактики были в прошлом и представляют собой ранние стадии их эволюции.
3. Скопления галактик: Группы галактик, связанные гравитацией. Классификация кластеров и суперскоплений галактик позволяет изучать их взаимодействие и распределение в космосе.

Современная астрономия продолжает развивать методы классификации галактик, применяя новые технологии и теоретические модели. Это позволяет более глубоко понять природу и эволюцию галактик и их роль в структуре Вселенной.

Кольцеобразная галактика Объект Хога

Масса и размер

• Карликовые галактики представляют собой наиболее компактные типы галактик. Их массы варьируются от 10^8 до 10^9 солнечных масс, и они содержат от нескольких сотен миллионов до нескольких миллиардов звезд. Размеры карликовых галактик также невелики, обычно они имеют диаметр от 1 до 10 тысяч световых лет. Примером такой галактики является карликовая галактика М81d, находящаяся в спутниках крупной спиральной галактики М81.

• Спиральные галактики, такие как Млечный Путь, являются более крупными структурами с характерными спиральными рукавами. Масса спиральных галактик может достигать 10^11 солнечных масс и более, в то время как их диаметр варьируется от 30 до 200 тысяч световых лет. Млечный Путь, типичный представитель спиральных галактик, имеет массу примерно 1,5 × 10^12 солнечных масс и диаметр около 100—200 тысяч световых лет. Галактика Андромеды (M31) является другой крупной спиральной галактикой с массой около 1,2 × 10^12 солнечных масс и диаметром порядка 220 тысяч световых лет.

• Эллиптические галактики характеризуются своей сферической или эллиптической формой и часто содержат старые звезды. Масса эллиптических галактик может достигать до 10^13 солнечных масс, а их размеры варьируются от 100 до 300 тысяч световых лет. Примером является галактика M87 в скоплении Девы, имеющая массу около 6 × 10^12 солнечных масс и диаметр порядка 120 тысяч световых лет. Эта галактика также известна своим массивным чёрным отверстием в центре, масса которого составляет около 6.5 миллиардов солнечных масс.

• Линзовидные галактики представляют собой промежуточную форму между спиральными и эллиптическими галактиками. Они имеют характерную форму, сочетающую элементы дисков и эллиптических структур. Масса линзовидных галактик может составлять около 10^10 до 10^11 солнечных масс, а их размеры обычно находятся в диапазоне от 50 до 100 тысяч световых лет. Галактика NGC 5866 является типичным примером линзовидной галактики, обладающей массой около 10^11 солнечных масс и диаметром около 50 тысяч световых лет.

Карликовые спиральные и эллиптические галактики часто обнаруживаются в группах и скоплениях, где их взаимодействие с другими галактиками может оказывать значительное влияние на их эволюцию. Карликовые спиральные галактики, такие как карликовая спиральная галактика УФ (NGC 3109), имеют массы от 10^9 до 10^10 солнечных масс и размеры от 5 до 10 тысяч световых лет. Эти галактики могут иметь свои спиральные рукава, хотя они менее выражены по сравнению с крупными спиральными галактиками. Галактики, находящиеся в процессе столкновения и слияния, демонстрируют значительное изменение массы и размера. В таких взаимодействиях масса системы может увеличиваться за счет слияния нескольких галактик, а их размеры могут изменяться в зависимости от характера слияния. Примером является система галактик Арп 220, где произошло слияние двух спиральных галактик, что привело к образованию эллиптической галактики с массой около 10^11 солнечных масс и диаметром более 60 тысяч световых лет. Эти процессы являются важной частью галактической эволюции и влияют на их дальнейшее развитие.

Галактика Млечный путь

Галактики Антенны (NGC 4038/NGC 4039) — пара взаимодействующих галактик в созвездии Ворона.

Млечный Путь представляет собой спиральную галактику, которая является частью местной группы галактик и содержит нашу солнечную систему. Это одна из наиболее изученных галактик, благодаря её близости и видимости на ночном небе. Галактика Млечный Путь имеет сложную структуру, состоящую из центрального балджа, спиральных рукавов, галактического диска и внешнего гало. 

Центральная часть Млечного Пути, известная как балдж, представляет собой сфероидальную область, содержащую старые звезды, клубки звезд и мощные звезды-гиганты. Балдж имеет диаметр около 10 тысяч световых лет и обладает плотностью звезд, в несколько раз превышающей плотность звездного диска. В центре балджа находится супергигантская чёрная дыра с массой порядка 4.1 миллиона солнечных масс, называемая Стрелец A*. Эта чёрная дыра оказывает значительное влияние на динамику всей галактики. 

Основная структура Млечного Пути — это спиральный диск, в котором располагаются спиральные рукава. Этот диск имеет диаметр примерно 100—200 тысяч световых лет и толщину от 1 до 2 тысяч световых лет. В диске находятся молодые звезды, звездообразующие области, а также газ и пыль. Спиральные рукава, такие как Рукав Персея и Рукав Ориона, представляют собой плотные области с активным звездообразованием, которые формируют характерный спиральный узор галактики. 

Галактика также окружена внешним гало, сферической областью, содержащей старые звезды, звёздные скопления и темную материю. Размер гало значительно превышает размеры диска, достигая диаметров порядка 300 тысяч световых лет. В гало также расположены так называемые шаровые скопления, представляющие собой группы старых звезд, распределённых по крупным орбитам вокруг центрального балджа. 

Масса Млечного Пути составляет около 1,5 × 10^12 солнечных масс, что делает его одной из крупнейших галактик в местной группе. Большая часть этой массы сосредоточена в темной материи, которая составляет значительную долю общей массы галактики, несмотря на то, что её невозможно наблюдать напрямую. На сегодняшний день Млечный Путь находится в процессе взаимодействия с несколькими карликовыми галактиками, такими как галактика Большое и Малое Магелланово Облако. Эти взаимодействия приводят к гравитационному влиянию, которое может изменять структуру галактики, а также способствовать процессам звездообразования. 

Изучение Млечного Пути предоставляет ценные данные о звездообразовании, динамике галактик и взаимодействиях между ними. Технологические достижения, такие как телескопы и наблюдательные миссии, позволяют более глубоко исследовать структуру и эволюцию нашей галактики, обеспечивая понимание её внутреннего устройства и космологических процессов.

Скопления галактик

Скопление галактик SDSS J1152+3313

Сверхскопления галактик представляют собой крупнейшие объединения галактик, включающие тысячи галактик. Они могут иметь различные формы: от цепочек, таких как цепочка Маркаряна, до стен, таких как Великая стена Слоуна. На больших масштабах Вселенная выглядит изотропной и однородной.

Скопления галактик — это объединения из нескольких сотен галактик, которые могут содержать как отдельные галактики, так и группы галактик. При наблюдении на такой масштаб часто выделяются несколько ярких сверхмассивных эллиптических галактик. Эти галактики оказывают значительное влияние на процесс формирования и структуру скопления.

Группы галактик являются меньшими по размеру и более распространёнными структурами, содержащими несколько десятков галактик. Обычно в таких группах доминирует одна массивная эллиптическая или спиральная галактика, которая, действуя через приливные силы, поглощает галактики-сателлиты и увеличивает свою массу. В таких группах скорости разбегания галактик из-за расширения Вселенной по Хабблу относительно невелики, и преобладают случайные скорости. Массу таких групп можно определить, анализируя эти случайные скорости и применяя теорему вириала. Например, в Местной группе, диаметром около 1 мегапарсека, находится более 40 галактик, среди которых Млечный Путь и Андромеда доминируют. Местная группа является частью сверхскопления Девы, но сама не входит в скопление Девы.

В галактических скоплениях предполагается наличие тёмной материи, составляющей основную часть массы группы, а также межгалактического газа, который составляет 10-30 % массы, и самих звёзд, составляющих около 1 %. Фотографии галактик показывают, что действительно одиночных галактик немного, и большинство из них объединены в группы или скопления.