Галактика звездообразования
Содержание:
Форма и содержание
Галактики различаются и морфологией (то есть формой). В целом их подразделяют на три основных класса — дисковидные, эллиптические и неправильные (иррегулярные). Это общая классификация, есть гораздо более детальные.
Галактики распределены в космическом пространстве вовсе не хаотично. Массивные галактики нередко окружены небольшими галактиками-спутниками. И наш Млечный Путь, и соседняя Андромеда имеют не менее 14 сателлитов, и, скорее всего, их гораздо больше. Галактики любят объединяться в пары, тройки и более крупные группы из десятков гравитационно связанных партнеров.
Ассоциации побольше, галактические кластеры, содержат сотни и тысячи галактик (первый из таких кластеров открыл еще Мессье). Порой в центре кластера наблюдается особо яркая гигантская галактика, возникшая, как считают, в процессе слияния галактик меньшего калибра.
И наконец, есть еще и суперкластеры, в которые входят как галактические кластеры и группы, так и отдельные галактики. Обычно это вытянутые структуры протяженностью до сотни мегапарсек. Их разделяют почти полностью свободные от галактик космические пустоты такого же размера.
Суперкластеры уже не организованы в какие-либо структуры более высокого порядка и разбросаны по Космосу случайным образом. По этой причине в масштабах нескольких сотен мегапарсек наша Вселенная однородна и изотропна.
Дисковидная галактика — это звездный блин, вращающийся вокруг оси, проходящей через его геометрический центр. Обычно по обе стороны центральной зоны блина имеется овальное вздутие — балдж (от англ. bulge). Балдж тоже вращается, однако с меньшей угловой скоростью, нежели диск. В плоскости диска нередко наблюдаются спиральные ветви, изобилующие сравнительно молодыми яркими светилами. Однако есть галактические диски и без спиральной структуры, где таких звезд много меньше.
Центральную зону дисковидной галактики может рассекать звездная перемычка — бар. Пространство внутри диска заполнено газопылевой средой — исходным материалом для новых звезд и планетных систем. Галактика имеет два диска: звездный и газовый.
Они окружены галактическим гало — сферическим облаком разреженного горячего газа и темной материи, которая и вносит основной вклад в полную массу галактики. Гало вмещает также отдельные старые звезды и шаровые звездные скопления (глобулярные кластеры) возрастом до 13 млрд лет. В центре едва ли не любой дисковидной галактики, как с балджем, так и без балджа, расположена сверхмассивная черная дыра. Самые крупные галактики этого типа содержат по 500 млрд звезд.
Вселенная — это сверхтекучая жидкость
Даже если пространство имеет только три измерения, все еще существует четвертое измерение в форме времени. Именно поэтому теоретически можно визуализировать Вселенную, которая существует в четырехмерном пространстве-времени. В 1905 году Эйнштейн в своей теории относительности первым предположил, что пространство и время могут быть связаны между собой. При этом сам термин «пространство-время» придумали лишь три года спустя, его автор — математик Герман Минковский. «Отныне время само по себе и пространство само по себе становятся пустой фикцией, и только единение их сохраняет шанс на реальность» — заявил он на коллоквиуме в 1908 году.
Согласно некоторым теориям, например, предложенной итальянскими физиками Стефано Либерати и Лукой Макчионе, пространство-время — это не просто абстрактная система отсчета, содержащая физические объекты, такие как звезды и галактики. Итальянские ученые считают, что это физическая субстанция сама по себе, аналогичная океану, полному воды. Подобно тому, как вода состоит из бесчисленных молекул, согласно теории, пространство-время — состоит из микроскопических частиц на более глубоком уровне реальности.
Вообще, сама идея о том, что пространство-время ведет себя как жидкость, самая новая — теорию «сверхтекучего вакуума» предложили больше полвека назад. Но итальянские исследователи стали первыми, кто задались вопросом о вязкости такой жидкости. То, как все движется во Вселенной — одна из загадок в физике. Например волна распространяется через воду, используя ее как «среду» для перемещения. Передача энергии требует среды, но как электромагнитные волны и, например, фотоны, движутся в пространстве, где вроде нет ничего?
Либерати и Макчионе предложили решение проблемы — они разработали теорию сверхтекучего космоса. Согласно ей, Вселенная состоит из сверхтекучей жидкости с нулевой вязкостью, которая ведет себя как единое целое. Сверхтекучей можно назвать жидкость, которая может течь бесконечно, при этом не теряя энергию. Это не выдуманная концепция, такие жидкости существуют на самом деле.
Сверхтекучесть — фаза вещества, в которое переходят жидкости или газы, когда остывают до температур вблизи абсолютного нуля. В этом состоянии атомы теряют индивидуальные свойства, и ведут себя, как единый супер-атом. Самая известная сверхтекучая жидкость — это гелий, но лишь охлажденный до 2 K (Кельвинов) или –271,15 ℃.
У сверхтекучих жидкостей есть несколько уникальных свойств. Они могут, например, подняться по стенкам незакрытого сосуда и «сбежать» из него. При этом, их просто невозможно нагреть — они отлично передают тепло. Жидкость со сверхтекучими свойствами просто испарится при нагреве.
Теория визуализирует пространство-время как сверхтекучую жидкость с нулевой вязкостью. Странным свойством таких жидкостей является то, что их нельзя заставить вращаться «оптом», как «работает» обычная жидкость при перемешивании. Они распадаются на крошечные вихри. В 2014 году ученые выяснили, что эти квантовые «торнадо» в ранней Вселенной объясняют возникновение галактик.
Голографическая Вселенная
Согласно теории, которую выдвинули в 1993 году, Вселенная на самом деле — огромная голография. Концепция напоминает платоновскую аллегорию пещеры. Согласно голографическому принципу, вся материя, содержащаяся в некой области пространства, может быть представлена как «голограмма» — информация, которая находится на границе этой области. Впервые принцип предложил нидерландский физик-теоретик Джерард’т Хофт, а американский профессор физики из Стэнфорда Леонард Сасскинд объединил свои идеи с предыдущими идеями Хофта и профессора физики в Университете Флориды Чарльза Торна, предложив теорию струн.
Сам голографический принцип Вселенной родился из обсуждения термодинамики черных дыр — Леонард Сасскинд подробно писал об этом в книге «Война при черной дыре. Мое сражение со Стивеном Хокингом за мир, безопасный для квантовой механики». Идея состоит в том, что вся информация, которая когда-то попала в черную дыру (а ее там должно быть много и, согласно закону сохранения энергии, просто исчезнуть она не может) дублируется на горизонте событий. Когда что-то попадает в черную дыру, оно остается там навсегда и искажается до неузнаваемости. В итоге, вся информация сохраняется в нечитаемом виде.
Это утверждение основано на фундаментальном физическом принципе. Именно благодаря Сасскинду голографический принцип разрешает информационный парадокс черной дыры (во всяком случае в рамках теории струн).
Так появилась идея голографической черной дыры, которая хранит информацию о падающих в нее трехмерных объектах на двухмерный горизонт событий. Потом ученые пошли дальше — они предположили, что вообще любая информация в любом объеме может быть записана на поверхности, ограничивающей этот объем. Если мы говорим об информации из черного ящика, то она записана на стенках черного ящика, если информация о Солнечной системе, то записать ее можно на воображаемой сфере вокруг нее, а данные обо всем, что происходит во Вселенной, записано на ее границе.
Для этого не нужны какие-то определенные границы, ведь это теоретический принцип. Если подытожить, то он гласит, что, вся информация и процессы, которые происходят на участке пространства равна какой-то записи на границе этого объема. Теория голографической Вселенной предполагает, что все, что человек видит, слышит. ощущает и наблюдает, может быть как реальностью, так и «голографической» 3D-проекцией 2D-записей на «стене, которая окружает Вселенную». Здесь очень важны кавычки — голография не похожа на ту, к которой мы привыкли, это лишь схожий принцип. И, конечно, мир не окружен настоящей стеной, она воображаемая, как экватор на глобусе.
Несмотря на то, что эта идея звучит безумно, это научно проверяемая теория. Ученые, которые провели исследование в 2017 году. Международная группа космологов из Канады, Великобритании и Италии получила данные, свидетельствующие в пользу теории голографической Вселенной.
Космологи использовали двумерную модель Вселенной, которая на основе наблюдаемых ранее параметров, смогла в точности воспроизвести картину микроволнового фона — теплового излучения, равномерно заполняющего космическое пространство. Полученные результаты свидетельствуют в пользу применимости голографического принципа, хотя пока и не опровергают стандартные космологические модели.
Список литературы:
- https://kosmosgid.ru/galaktiki/proishozhdenie-i-evolyutsiya-galaktik
- https://elementy.ru/trefil/21099/Evolyutsiya_zvezd
- Эволюция звезд и галактик
- Институт толкования иностранного права в процессе правоприменения
- Эколого-правовые начала основных принципов водного законодательства
- Состав и функции дипломатического представительства
- Внешняя политика и дипломатия
- Как настроиться на рабочий лад. Обзор эффективных техник самомотивации
- Субъекты международного частного права
- Соотношение международного публичного и международного частного права
- Особенности заключения и исполнения договоров потребительского кредитования
- Шаги успешного бронирования (Кафедра менеджмента в гостиничном и ресторанном бизнесе)
- Как настроиться на рабочий лад. Обзор эффективных техник самомотивации
- Жизненный цикл продукции
Млечный путь
Солнце обращается вокруг центра вполне рядовой спиральной галактики, в состав которой входят 200−400 миллиардов звезд. Ее диаметр приблизительно равен 28 килопарсекам (чуть больше 90 световых лет). Радиус солнечной внутригалактической орбиты — 8,5 килопарсек (так что наше светило смещено к внешнему краю галактического диска), время полного оборота вокруг центра Галактики — примерно 250 миллионов лет.
Балдж Млечного Пути имеет эллипсовидную форму и наделен баром, который обнаружили совсем недавно. В центре балджа находится компактное ядро, заполненное звездами различного возраста — от нескольких миллионов лет до миллиарда и старше. Внутри ядра за плотными пылевыми облаками скрывается достаточно скромная по галактическим стандартам черная дыра — всего лишь 3,7 миллиона солнечных масс.
Наша Галактика может похвастаться двойным звездным диском. На долю внутреннего диска, который имеет по вертикали не более 500 парсек, приходится 95% звезд дисковой зоны, в том числе все молодые яркие звезды. Его охватывает внешний диск толщиной в полторы тысячи парсек, где обитают звезды постарше. Газовый (точнее, газо-пылевой) диск Млечного Пути имеет в толщину не менее 3,5 килопарсек. Четыре спиральных рукава диска представляют собой области повышенной плотности газо-пылевой среды и содержат большинство самых массивных звезд.
Диаметр гало Млечного Пути не менее, чем вдвое больше диаметра диска. Там обнаружено порядка 150 глобулярных кластеров, причем, скорее всего, еще с полсотни пока не открыты. Возраст старейших кластеров превышает 13 миллиардов лет. Гало заполнено темной материей, имеющей комковатую структуру.
До недавнего времени полагали, что гало почти шарообразно, однако, по последним данным, оно может быть значительно приплюснуто. Общая масса Галактики может составлять до 3 триллионов солнечных масс, причем на долю темной материи приходится 90−95%. Масса звезд Млечного Пути оценивается в 90−100 миллиардов масс Солнца.
Эллиптическая галактика, как и следует из ее названия, имеет форму эллипсоида. Она не вращается как целое и потому не обладает осевой симметрией. Ее звезды, которые в основном имеют сравнительно небольшую массу и солидный возраст, обращаются вокруг галактического центра в разных плоскостях и иногда не по отдельности, а сильно вытянутыми цепочками.
Новые светила в эллиптических галактиках загораются редко в связи с дефицитом исходного сырья — молекулярного водорода.
Подобно людям, галактики объединяются в группы. Наша Местная группа включает две самые крупные галактики в окрестностях размером порядка 3 мегапарсек — Млечный путь и Андромеду (M31), галактику Треугольника, а также их спутники — Большое и Малое Магеллановы облака, карликовые галактики в Большом Псе, Пегасе, Киле, Секстанте, Фениксе, и еще множество других — всего числом около полусотни. Местная группа в свою очередь является членом местного сверхскопления Девы.
Как самые крупные, так и самые мелкие галактики относятся к эллиптическому типу. Общая доля его представителей в галактическом населении Вселенной всего около 20%. Эти галактики (возможно, за исключением самых мелких и тусклых) также скрывают в своих центральных зонах сверхмассивные черные дыры. Эллиптические галактики имеют и гало, но не столь четкие, как у дисковидных.
Все прочие галактики считаются иррегулярными. Они содержат много пыли и газа и активно порождают молодые звезды. На умеренных расстояниях от Млечного Пути таких галактик немного, всего-то 3%.
Однако среди объектов с большим красным смещением, чей свет был испущен не позже, чем через 3 млрд лет после Большого взрыва, их доля резко возрастает. Судя по всему, все звездные системы первого поколения были невелики и обладали неправильными очертаниями, а крупные дисковидные и эллиптические галактики возникли гораздо позже.
Растущие галактики
Галактики могут увеличивать и размер, и массу. «В далеком прошлом галактики делали это гораздо эффективней, нежели в недавние космологические эпохи, — объясняет профессор астрономии и астрофизики Калифорнийского университета в Санта-Круз Гарт Иллингворт. — Темпы рождения новых звезд оценивают в терминах годового производства единицы массы звездного вещества (в этом качестве выступает масса Солнца) на единицу объема космического пространства (обычно это кубический мегапарсек).
Во времена формирования первых галактик этот показатель был весьма невелик, а затем пошел в быстрый рост, продолжавшийся до тех пор, пока Вселенной не исполнилось 2 млрд лет. Еще 3 млрд лет он был относительно постоянным, потом начал снижаться почти пропорционально времени, и снижение это продолжается по сей день. Так что 7−8 млрд лет назад средний темп звездообразования в 10−20 раз превышал современный. Большинство доступных наблюдению галактик уже полностью сформировались в ту далекую эпоху».
На рисунке — результаты эволюции в различные моменты времени — начальная конфигурация (a), через 0,9 (b), 1,8 и 2,65 млрд лет (d). Согласно модельным расчетам, бар и спиральные рукава Млечного Пути могли сформироваться в результате столкновений с SagDEG, которая изначально тянула на 50−100 миллиардов солнечных масс.
Дважды она проходила сквозь диск нашей Галактики и теряла часть своей материи (и обычной, и темной), вызывая пертурбации его структуры. Нынешняя масса SagDEG не превышает десятков миллионов солнечных масс, и очередное столкновение, которое ожидают не позже, чем через 100 миллионов лет, скорее всего, станет для нее последним.
В общих чертах эта тенденция понятна. Галактики увеличиваются двумя основными способами. Во‑первых, они получают свежий материал для звездообразования, втягивая из окружающего пространства газ и частицы пыли. В течение нескольких миллиардов лет после Большого взрыва этот механизм исправно работал просто потому, что звездного сырья в космосе хватало всем.
Потом, когда запасы истощились, темп звездного рождения упал. Однако галактики нашли возможность увеличивать его за счет столкновения и слияния. Правда, для реализации этого варианта необходимо, чтобы сталкивающиеся галактики располагали приличным запасом межзвездного водорода. Крупным эллиптическим галактикам, где его практически не осталось, слияние не помогает, зато в дисковидных и неправильных оно работает.
Материалы по теме
Столкновение галактик 3D
В пользу теории свидетельствует также то, что самая крупная галактика в наблюдаемой Вселенной, IC 110, тоже принадлежит к эллиптическим. Если это так, то после столкновения с галактикой Андромеда наш Млечный путь тоже превратится в гигантскую эллиптическую галактику.
Линзовидные галактики(S0)
Линзовидные галактики — это промежуточное звено по форме между эллиптическими и спиральными галактиками. У них сохраняется массивный центр, но при этом существуют вполне сформированные диски: звездный и газовый. Из-за контраста выпуклого балджа и распластанного диска эти галактики похожи на двояковыпуклые линзы, из-за чего и получили свое название.
«Население» линзовидных галактик сродни наполнению эллиптических — все те же старые звезды, небольшие зрелые светила и звездные останки вроде сверхновых, черных дыр и подобных им объектов. Как и у предыдущего класса галактик, у них не так много свободного газа, но зато достаточно галактической пыли. Это наталкивает астрономов на мысль о том, что линзовидные «звездные острова» являются «истаявшими» наследниками спиральных галактик, в которых звездообразовательный потенциал исчерпался, а рукава слились.
Линзовидные и эллиптические галактике составляют 40% от всей галактической популяции Вселенной — каждая по половине общего числа. И хотя даже вместе они не такие распространенные, как спиральные, линзовидные и эллиптические часто встречаются на снимках телескопов.
Линзовидная галактика Веретено или NGC 5866
Спиральные галактики (S)
Классическая спиральная галактика в общих чертах представляет собой эллиптическую галактику, от центра-балджа которой отходят спиральные рукава. Также она активно вращается (на что указывает спиральная форма) и обладает выраженными газовыми и пылевыми составляющими. Рукава спиральных галактик разительно отличаются по составу от центра: они богаты на свободную видимую материю, из-за чего активно образуются звезды. Ещё преобладающее число спиральных галактик имеет бар-перемычку. Галактики этого класса являются наиболее распространенными во Вселенной: на них приходится 55% от всего числа «звездных островов».
Как правило, рукавов у таких галактик немного, и спираль закручена лишь на несколько витков. Точной причины того, почему галактики не закручиваются «туже», неизвестно. Да, звезды движутся вокруг центра галактики очень быстро, ускоряясь ближе к центру, и свободно мигрируют с одной части спирали в другую. Но этого недостаточно для «заморозки» галактических рукавов в пространстве.
NGC 1097 — спиральная галактика с перемычкой в созвездии Печь
Одной из наиболее вероятных теорий является то, что спираль формируется под влиянием волн плотности. Они сжимают облака газа и пыли, попадающие в рукава, «фиксируя» их и активируя звездорождение. Там образуются в основном массивные и яркие голубые звезды, которые существуют всего несколько миллионов лет, и потому практически не изменяют свое положение. Все это способствует стабильности рукавов.
Это, однако, лишь теория. Какое-либо длительное наблюдения развития галактик невозможно, да и их структура слишком сложна, дабы утверждать что-то точно. Однако факт остается фактом: массивных и ярких звезд в рукавах очень много, из-за чего они отсвечивают голубым.
Неправильные галактики(Irr)
Неправильная галактика NGC 5477
Неправильные галактики — самые редкостные из «звездных островов». Они похожи на рваные тучи, да и повторяют их строением. В них много газов, пыли и скоплений звезд, но нет главных структурных элементов — спиралей, балджа и т.д. Некоторые из них напоминают эллиптические или спиральные галактики. Многие неправильные галактики стали такими из-за гравитационного влияния со стороны, исказившего их форму. Но есть «звездные острова», которые приобрели такой вид сами по себе.
Особым видом неправильных галактик являются карликовые — они полны газа, необходимого для звездообразования, в них мало металлов (в астрономии — элементов, отличных от водорода и гелия), и они очень компактны в размерах. Эти три фактора создают идеальные условия для образования очень крупных, ярких и короткоживущих звезд. Ученые считают, что именно так выглядели первые галактики нашей Вселенной. С помощью телескопа «Джеймс Уэбб», способного проникнуть на расстояние в 100 миллионов лет после Большого взрыва, ученые ожидают увидеть больше неправильных галактик, наполненных звездами-сверхгигантами.
Курс на столкновение
Посмотрим, что происходит при слиянии двух примерно одинаковых галактик дискового типа. Их звезды практически никогда не сталкиваются — слишком велики расстояния между ними. Однако газовый диск каждой галактики ощущает приливные силы, обусловленные притяжением соседки. Барионное вещество диска теряет часть углового момента и смещается к центру галактики, где возникают условия для взрывного роста скорости звездообразования.
Часть этого вещества поглощается черными дырами, которые тоже набирают массу. В заключительной фазе объединения галактик черные дыры сливаются, а звездные диски обеих галактик теряют былую структуру и рассредоточиваются в пространстве. В итоге из пары спиральных галактик образуется одна эллиптическая. Но это отнюдь не полная картина. Излучение молодых ярких звезд способно выдуть часть водорода за пределы новорожденной галактики.
В то же время активная аккреция газа на черную дыру вынуждает последнюю время от времени выстреливать в пространство струи частиц огромной энергии, подогревающие газ по всей галактике и тем препятствующие формированию новых звезд. Галактика постепенно затихает — скорее всего, навсегда.
Галактики неодинакового калибра сталкиваются по‑иному. Крупная галактика способна поглотить карликовую (сразу или в несколько приемов) и при этом сохранить собственную структуру. Этот галактический каннибализм тоже может стимулировать процессы звездообразования.
Карликовая галактика полностью разрушается, оставляя после себя цепочки звезд и струи космического газа, которые наблюдаются как в нашей Галактике, так и в соседней Андромеде. Если же одна из сталкивающихся галактик не слишком превосходит другую, возможны даже более интересные эффекты.
Конечная стадия развития галактик
Когда в межзвёздном пространстве иссякает запас газа и пыли, прекращается формирование звёзд. Этот процесс замедляется в течении миллиардов лет. Но при этом все же происходит слияние объектов глубокого космоса. Что ведёт к росту количества звёзд, газа и пыли. В результате система галактики поддерживается и растёт.
Иногда такие галактики поглощаются другими. В таком случае, им как-бы даётся вторая жизнь в новом составе.
Существует интересная теория о том, что когда-нибудь все галактики сольются в одного огромного эллиптического гиганта.
Бесспорно, эволюция галактик является очень долгим и сложным процессом. Только представьте, что было вначале и что есть сейчас. Это целая история, которой нет конца. По крайней мере, пока. Мы можем только предполагать, что в будущем ждёт галактики и вселенную в целом.
Момент роста и развития всегда очень занимательный и интересный. Независимо от того, что мы рассматриваем. Но следить за эволюцией Вселенной более увлекательный процесс. Тем более, что вопросов о ней всегда больше, чем ответов.
