Галактика

ГАЛАКТИКА, Млечный Путь (от греческого γαλακτικ?ς - молочный, млечный), огромная звёздная система, в которую входит звезда - Солнце. Наша Галактика - одна из триллионов таких систем (галактик) во Вселенной. Общее число звёзд в Галактике не менее 100 миллиардов; большинство звёзд, включая Солнце, находятся в дискообразной системе, видимой на небе как светлая полоса Млечного Пути. В состав Галактики входят также десятки тысяч звёздных скоплений и множество облаков межзвёздного вещества, содержащих в основном водород и гелий. Есть данные, что, кроме обычного вещества, в Галактике в огромном количестве имеется невидимое вещество неизвестной пока природы, проявляющее себя только гравитационным притяжением; оно распределено главным образом на далёкой периферии Галактики. Солнце находится на расстоянии около 8 кпк (26 тысяч световых лет) от центра Галактики и обращается вокруг него с периодом около 230 миллионов лет. Строение, кинематику и динамику Галактики изучает звёздная астрономия.

Открытие Галактики. Первые телескопические наблюдения, проведённые Г. Галилеем (1610), показали, что Млечный Путь представляет собой множество слабых звёзд. Впервые попытку изучить строение системы Млечного Пути предпринял в конце 18 века У. Гершель, который установил, что пространственная плотность звёзд убывает с расстоянием от плоскости Млечного Пути и от Солнца. Согласно Я. Каптейну (1922), звёздная система имеет форму двояковыпуклой линзы диаметром около 20 кпк, на расстоянии всего 650 пк от её центра находится Солнце. Кажущееся увеличение плотности звёзд к Солнцу объясняется неизвестным до 1930-х годов поглощением света в пространстве.

В 1919 году Х. Шепли пришёл к выводу, что находящийся в направлении созвездия Стрельца центр сфероидальной системы шаровых звёздных скоплений является одновременно и центром дискообразной звёздной системы. Определив с помощью звёзд с известной светимостью положение в пространстве около 70 шаровых скоплений, Шепли установил, что расстояние от Солнца до центра, лежащего в созвездии Стрельца, составляет 50 тысяч световых лет, а вся система Млечного Пути простирается на 300 тысяч световых лет.

Таким образом, в начало 1920-х годов существовали две системы мироздания: по Шепли, Солнце находится на окраине звёздной системы, а в мире Каптейна, который был намного меньше, Солнце располагалось вблизи центра. Однако обе эти системы не отвечали на вопрос, что же находится за пределами Млечного Пути, хотя ещё в 18 веке высказывалось предположение, что многочисленные «слабые туманности» являются огромными звёздными системами, сравнимыми с нашей. В начале 20 века было уже практически установлено, что самая яркая туманность - М31 в созвездии Андромеды - состоит из звёзд. Однако до 1925 года большинство астрономов полагало, что звёздная система Млечного Пути есть вся Вселенная.

Проблема была окончательно решена в 1925 году, когда Э. П. Хаббл опубликовал результаты изучения в М31 переменных звёзд - цефеид. Из зависимости «период - светимость» для этих звёзд было определено расстояние до «туманности» - около 1 миллионов световых лет. Стало очевидным, что и М31, и система Млечного Пути, и бесчисленные «слабые туманности» являются огромными звёздными системами - галактиками. Открытие населённой галактиками Вселенной стало и открытием нашей Галактики как одной из множества подобных систем. Появилась возможность сравнивать нашу звёздную систему с другими галактиками и, наоборот, опираться при их изучении на знания о нашей Галактике.

Подсистемы Галактики. В Галактике можно выделить центральное вздутие (балдж, утолщение), протяжённую дискообразную подсистему и окружающую их галактическую корону (гало) - эллипсоидальную подсистему, объекты которой концентрируются к центру. Эти главные составляющие Галактики хорошо видны на фотографиях спиральных галактик, наблюдаемых почти «с ребра». Диск и балдж Галактики можно непосредственно увидеть на изображениях Млечного Пути в ИК-лучах (рис. 1).

Подсистемы Галактики образованы звёздами разного возраста и химического состава. Как и во всех спиральных галактиках, в ней имеются два основных типа звёздного населения. К населению I относятся Солнце, рассеянные звёздные скопления, звёзды спектральных классов О и В, звёзды-сверхгиганты, в том числе цефеиды, а также облака газа и пыли; все они концентрируются к плоскости Галактики. Атомарный водород прослеживается до расстояний около 17 кпк от центра, на краях Галактики его слой отклоняется до 1 кпк от экваториальной плоскости. Примерно до таких же расстояний простирается и плоская система молодых звёзд, толщина которой, как и газа, около 100 пк. Объекты населения II (шаровые скопления, планетарные туманности, звёзды типа RR Лиры, некоторые типы звёзд-гигантов и др.) концентрируются к центру Галактики, образуя обширное эллипсоидальное гало. Сфероидальная система населения II состоит только из старых звёзд (возраст всех шаровых скоплений Галактики примерно одинаков - 12-13 миллиардов лет). Самые далёкие шаровые скопления находятся на расстояниях около 100 кпк.

В плоской подсистеме концентрируется газ, обогащённый тяжёлыми элементами (к ним в астрофизике относят все химические элементы тяжелее гелия), возникающими в недрах звёзд при ядерных реакциях. На конечных стадиях эволюции звёзд, в основном при взрывах сверхновых, тяжёлые элементы поступают в межзвёздную среду. Образование звёзд из этого обогащённого газа в диске Галактики продолжается и ныне. Химический состав звёзд населения I в среднем близок к солнечному, а у звёзд населения II тяжёлых элементов в 10-100 раз меньше.

Вращение Галактики. В 1926 году Б. Линдблад пришёл к выводу, что большинство звёзд в окрестностях Солнца и оно само, а также рассеянные звёздные скопления входят в плоскую систему, члены которой находятся в быстром, почти круговом вращении вокруг центра Галактики. Шаровые скопления, образующие сфероидальную систему, вращаются вокруг центра Галактики медленно; они двигаются в разных направлениях по вытянутым орбитам.

В 1927 году Я. Х. Оорт рассмотрел влияние вращения Галактики на собственные движения и лучевые скорости звёзд. В случае нетвердотельного (дифференциального) вращения, которое вытекает из Кеплера законов, справедливых при увеличении концентрации массы к центру вращения, зависимость лучевых скоростей от направления (от галактической долготы) должна иметь вид двойной волны - кривой с двумя максимумами и двумя минимумами, которая представляется формулой: V_r=Arsin2l, где r - расстояние от звезды до Солнца, l - галактическая долгота, отсчитываемая от направления на центр Галактики, коэффициент А, называемый постоянной Оорта, характеризует степень отклонения вращения от твердотельного. По лучевым скоростям звёзд классов О и В и цефеид Оорт определил параметры двойной волны и доказал, что звёзды Галактики обращаются вокруг центра, который лежит в направлении на созвездие Стрельца.

Зависимость скорости вращения V различных объектов Галактики от расстояния R до центра Галактики изображена на рисунке 2. По этой так называемой кривой вращения Галактики можно определить массу её отдельных составляющих. В самых внутренних областях вращение близко к твердотельному, затем скорость чуть убывает. На больших расстояниях от центра Галактики, за пределом её плотного диска, где в основном сосредоточены звёзды и газ, скорость вращения на протяжении многих десятков парсек остаётся примерно постоянной. Наблюдательные данные свидетельствуют, что подобная кривая вращения характерна и для большинства других галактик. Общепринятое объяснение этого факта состоит в том, что, кроме видимого гало из объектов населения II, галактики окружены намного более обширным гало из гравитирующей, но ненаблюдаемой материи (так называемое тёмное гало). В Галактике масса тёмного гало оценивается в 10¹¹-10¹² масс Солнца, что на порядок больше, чем масса звёзд (около 5·10¹⁰), и на два порядка больше, чем масса газа (5-10·10⁹). Проблема природы этой «тёмной материи» - одна из важнейших нерешённых проблем астрофизики.

Спиральная структура Галактики. Наличие полосы Млечного Пути свидетельствует о том, что наша система относится к дискообразным; она не может относиться к неправильным галактикам, так как их массы невелики, а объекты населения II в них представлены слабо. Вывод о наличии в Галактике спиральных рукавов неизбежен, но их расположение, длина и даже их число остаются предметом дискуссий. По всей видимости, спиральный узор Галактики относится к типу grand design. Так называют спиральные рукава, тянущиеся на десятки килопарсек от центра галактики и симметричные относительно поворота вокруг него. Это волны повышенной плотности облаков газа и звёзд, распространяющиеся благодаря гравитационному взаимодействию вещества. Причиной возникновения этих волн считают наличие спутника или отклонения центральной области галактики от осевой симметрии - эта область имеет форму либо овала, либо перемычки (бара), соединяющей исходные точки рукавов. Наличие в Галактике короткого (оканчивающегося на расстоянии около 3-4 кпк от центра) бара следует из данных о кинематике газа вблизи центра, а также из особенностей интегрального свечения звёзд в ИК-диапазоне. (К типу grand design относится меньшая часть спиральных галактик; чаще наблюдаются лишь короткие обрывки рукавов.)

Повышенная плотность газа приводит к высокому темпу звездообразования в спиральной волне. Звёздные ассоциации и скопления с возрастом менее 30 миллионов лет концентрируются в трёх отрезках спиральных рукавов; им были даны названия рукавов Персея, Ориона - Лебедя и Стрельца - Киля. Последний выделяется и как область повышенной плотности цефеид, возраст которых, как и светимость, зависит от периода и составляет 30-100 миллионов лет. Согласно теоретическим представлениям, в волновых спиральных рукавах должны присутствовать и такие довольно старые звёзды - их притягивает туда повышенный в рукаве гравитационный потенциал. Лишь у звёзд с возрастом, превышающим сотни миллионов лет, случайные скорости (растущие с возрастом) столь высоки, что они, пересекая рукав, практически не замедляют своего движения вокруг центра.

Данные о молодых звёздах и скоплениях являются неполными уже для расстояний, превышающих 3-4 кпк. Для изучения спиральной структуры всей Галактики используются наблюдения нейтрального водорода HI (на длине волны 21 см). Сверхгигантские (массой до 10⁷ масс Солнца) облака атомарного водорода HI и молекулярного водорода Н₂ обрисовывают ветвь Киля, простирающуюся на 40 кпк с углом закручивания в 10-12°. В рукаве Киля наблюдаются регулярные промежутки между газово-звёздными комплексами, что характерно для галактик, обладающих правильным симметричным спиральным узором; о наличии его в Галактике говорит и само существование столь длинного рукава. Всё это подтверждает классификацию Галактики как системы типа grand design, что согласуется с наличием у неё бара (перемычки) и близких спутников (ближайшие из крупных спутников - Большое и Малое Магеллановы Облака).

Согласно сводным данным канадского астронома Ж. Валле (2005), Галактика обладает четырьмя спиральными рукавами с углом закручивания около 12° (рис. 3). Однако идеально правильная спиральная структура, подобная изображённой на рисунке, наблюдается редко, обычно одна пара рукавов или один рукав гораздо мощнее и длиннее, чем остальные, поэтому рисунок отражает лишь основные черты спиральной структуры Галактики.

Судя по параметрам спиральной структуры, наличию бара и по кривой вращения, наша Галактика похожа на галактику NGC 3992 (М109), вид которой представлен на рисунке 4. Она классифицирована как SBb(rs)I, что означает наличие бара, балджа небольшого размера, сложной системы спиральных рукавов, а также высокой светимости. В первом приближении рисунок 4 можно считать и планом Галактики.

Ядро Галактики. Направление на центр вращения Галактики определяется с высокой точностью, но в оптическом диапазоне в этом направлении ничего особенного не наблюдается, поскольку в видимых лучах поглощение света между Солнцем и центром Галактики очень велико. Однако с центром Галактики совпадает западный компонент радиоисточника Стрелец А (Sgr А West), являющийся также компактным источником нетеплового радиоизлучения и ИК-излучения. В пределах 100 пк от галактического центра (эту область часто выделяют как ядро Галактики) обнаружено множество признаков продолжающегося образования массивных звёзд: остатки сверхновых, источники ИК-излучения, которые могут быть звёздами высокой светимости, окружёнными пылевыми оболочками, гигантские молекулярные облака, а также несколько очень молодых и богатых звёздных скоплений, видимых только в ИК-лучах.

В самом центре Галактики находится сверхмассивная чёрная дыра. Измерения собственных движений восьми звёзд высокой светимости, расположенных вблизи Sgr А West, показали, что их траектории являются частями эллипсов, в фокусе которых находится центральный объект, что и позволяет определить его массу по третьему закону Кеплера - она составляет около 3 миллионов масс Солнца. Для одной из этих звёзд удалось измерить период её обращения, он составляет всего лишь 15 лет.

Измерение собственных движений и лучевых скоростей звёзд, обращающихся вокруг центральной чёрной дыры, позволит определить расстояние от Солнца до центра Галактики намного точнее, чем классические методы. Предварительные данные дают значение около 7,5 кпк, что с точностью до половины килопарсека совпадает с определённой ранее величиной.

Лит.: Зонн В., Рудницкий К. Звездная астрономия. М., 1959; Уитни Ч. Открытие нашей Галактики. М., 1975; Марочник Л. С., Сучков А. А. Галактика. М., 1984; Куликовский П. Г. Звездная астрономия. 2-е изд. М., 1985; Ефремов Ю. Н. Очаги звездообразования в галактиках: звездные комплексы и спиральные рукава. М., 1989; он же. Звездные острова: Галактика звезд и Вселенная галактик. Фрязино, 2005; Vallee J. The spiral arms and interarm separation of the Milky way // Astronomical Journal. 2005. Vol. 130. № 2.