Тема12: Мир галактик. Квазары.

План темы.

1. 
   Многообразие галактик.
   
2. 
   Активные галактики.
   
3. 
   Квазары.
   

1. Многообразие галактик. Галактики – это большие звездные системы, в которых звезды связаны друг с другом силами гравитации.

Только в двадцатых годах XX века американский астроном Эдвин Хаббл, наблюдая за цефеидами (переменными пульсирующими звёздами) в туманности Андромеды, пришел к выводу, что эта туманность не принадлежит нашей Галактике. В дальнейшем он обнаружил и другие подобные объекты. Многочисленные наблюдения позволили Хабблу классифицировать такие объекты как другие галактики и разделить их на морфологические типы: эллиптические (Е), спиральные (S) и неправильные (Ir). Эта классификация получила название «вилка Хаббла» (смотри рис.1), и отражает не только особенности их видимой формы, но и свойства входящих в них звезд: Е-галактики состоят из очень старых звезд, в Ir-галактиках основной вклад в излучение дают звезды существенно моложе Солнца, а в S-галактиках характер спектра выдает присутствие звезд всех возрастов.

Рис.1. Классификация Эдвина Хаббла – вилка Хаббла

Эллиптические галактики составляют примерно 25 % от общего числа галактик высокой светимости. Типичная Е-галактика выглядит как сфера или эллипсоид, диск в ней практически полностью отсутствует. Эллиптические галактики почти лишены межзвездного газа и, следовательно, молодых звезд. Хаббл получил 8 подтипов галактик от Е0 до Е7 (E0 – «шаровые» галактики, E7 – «сплюснутые»). Звезды эллиптических галактик обращаются вокруг центра галактики очень медленно. Считается, что эллиптические галактики образовывались из медленно вращающихся облаков, сформировавшихся на ранних стадиях эволюции Вселенной. Через несколько миллиардов лет звездообразование в такой галактике практически прекращается.

Следующий морфологический тип - линзовидные галактики – это промежуточный тип между спиральными и эллиптическими. У них есть гало и диск, но нет спиральных рукавов. Такие галактики обозначаются S0 и составляют примерно 20% от общего числа галактик.

Спиральные галактики по внешнему виду напоминают двояковыпуклую линзу и составляют примерно 50% от общего числа галактик. В них имеется как гало, так и массивный звездный диск. Темная полоса, идущая вдоль диска – непрозрачный слой межзвездной среды, межзвездная пыль. Галактики различают по степени своей спиральной структуры добавлением к символу S букв a, b, c. Sa – спиральная галактика с мало развитой спиральной структурой и с мощным ядром. Sc – галактика с малым ядром и с сильно развитыми спиральными ветвями. Наша Галактика принадлежит к промежуточному типу Sb. У некоторых спиральных систем в центральной части имеется звездная перемычка – бар (смотри рис. 2). В этом случае к их обозначению после буквы S добавляется B. Считается, что спиральные галактики образовывались из быстро вращающихся облаков, которые в результате вращения сжимались в диски. Затем начинают проявляться спиральные рукава, а через несколько миллиардов лет звездообразование практически прекращается.

Характер движения звезд и газа в галактиках не одинаков: газ вращается быстрее, чем старые звезды. Если характерные скорости вращения газа в галактиках составляют 150–500 км/с, то старые звезды гало всегда вращаются медленнее. Балджи спиральных галактик, состоящие из старых звезд, вращаются в 2–3 раза медленнее, чем диски.

Рис.2. Галактика «Млечный путь»

Неправильные галактики. Ближайшими к нам и самыми яркими на небе галактиками являются Магеллановы Облака (смотри рис.3). Они хорошо видны в Южном полушарии невооруженным глазом как два туманных клочковатых пятна, подобных Млечному Пути. Свет от Большого Магелланова Облака идет к нам 170 тысяч лет, от Малого – 200 тысяч лет. Облака находятся неподалеку от южного полюса небесной сферы и образуют с ним примерно равносторонний треугольник. Такое положение сделало их объектами, удобными для ориентирования, если учесть, что на южном полюсе мира нет яркой звезды подобной нашей Полярной. Облака являются самыми крупными видимыми астрономическими объектами на небе. Около половины вещества в неправильных галактиках – межзвездный газ. К этому классу относятся около 5% всех галактик

(смотри таблица 1).

Рис.3. Большое и Малое Магеллановы облака (фото)

Таблица 1. Характеристики галактик

Тип галактики	Масса (в массах Солнца)	Светимость (в светимостях Солнца)	Диаметр (килопарсек)	Звёздное население	Процент среди наблюдаемых галактик
Спиральные (S и SB)	109 — 1011	108 — 1010	5 — 250	диск: Население I гало: Население II	55%
Линзовидные (S0)	108 — 1010	108 — 1010	5 — 200	диск: Население I гало: Население II	20%
Эллиптические (E)	105 — 1013	105 — 1011	1 — 205	Население II	20%
Иррегулярные (Irr)	108 — 1010	107 — 109	1 — 10	Население I	5%

Встречаются среди галактик и карликовые, которые не вписываются в классификацию Хаббла. Они в десятки раз меньше по размерам обычных галактик. Жизненный путь этих звездных систем настолько своеобразен, что накладывает отпечаток и на свойства звезд внутри галактик, и на свойства галактик в целом. Выделено 4типа подобных образований: карликовые эллиптические (dE), карликовые сфероидальные (dSph), карликовые неправильные (dIr) и карликовые голубые компактные галактики (dBCG). Галактик со спиральными ветвями среди карликов не встречается. Скорее всего, для образования спиралей нужен массивный звездный диск, а масса карликовых галактик недостаточна для этого.

В середине XX столетия крупные телескопы выявили, что 5–10% от общего числа галактик имеет весьма странный, искаженный вид, так что их трудно классифицировать по Хабблу. Иногда такие галактики окружены светящимся гало либо связаны звездной перемычкой. Иногда от галактик на сотни тысяч световых лет отходят длинные хвосты. В некоторых системах обращает на себя внимание сложный характер внутреннего движения межзвездного газа. Первым, кто стал изучать взаимодействия близких галактик и составил каталог из тысяч взаимодействующих галактик, был Борис Воронцов-Вельяминов.

Если галактики в своем движении близко походят друг к другу, то они могут испытывать сильное гравитационное взаимодействие на расстоянии, даже не соприкасаясь. При взаимном проникновении галактики могут даже слиться друг с другом за несколько сотен миллионов лет (смотри рис. 4). Наша Галактика также захватывает карликовую галактику, находящуюся на расстоянии всего в 60тысяч световых лет. Через сотню миллионов лет звезды этой карликовой галактики станут звездами нашей Галактики. Магеллановы Облака также разрушаются, находясь неподалеку от нашей Галактики. По подсчетам астрономов в ближайшие несколько миллиардов лет Млечный Путь полностью поглотит все вещество Магеллановых Облаков. Процессы поглощения галактик не сопровождаются катастрофическими звездными столкновениями, так как межзвездные расстояния очень велики по сравнению с размерами самих звезд.

Рис. 4. Слияние двух галактик (фото)

2. Активные галактики. Рассматривая центральную часть галактик, мы может наблюдать множество интересных явлений. В центральном сгущении туманности Андромеды обнаружено быстро вращающееся ядро, похожее на шаровое звездное скопление. Подобный объект имеется и в центральном сгущении нашей Галактики. Теперь мы уже знаем, что в центре этих галактик находятся гигантские черные дыры с массами в миллионы масс Солнца. У многих галактик ядра оказываются источниками огромной энергии, которая не может быть объяснена излучением обычных звезд. В некоторых случаях мощность этих источников больше суммарной мощности излучения звезд всей галактики, причем источник энергии имеет малый размер по сравнению с размером галактики. Ядра галактик, в которых происходит интенсивное выделение энергии, называются активными. Эта активность может проявляться в различных формах. В одних случаях это мощное электромагнитное излучение, источником которого является небольшой компактный объект в центре галактики. В других случаях наблюдается выброс вещества из ядер в межгалактическое пространство в виде пучков релятивистских частиц, излучающих радио и рентгеновские волны синхротронным механизмом, или выброс облаков обычного газа со скоростью более десяти тысяч километров в секунду. Число галактик с активными ядрами составляет несколько процентов от числа нормальных галактик. Особенно часто среди них встречаются так называемые сейфертовские галактики. Это массивные спиральные галактики, в центре которых наблюдается звездообразный источник очень малого углового размера с огромной мощностью излучения. Другой разновидностью галактик с активными ядрами являются радиогалактики. В отличие от сейфертовских, они обычно относятся к массивным эллиптическим галактикам и отличаются мощным радио и рентгеновским излучением, в десятки тысяч раз более интенсивным, чем излучение «нормальных» галактик. В настоящее время известно несколько тысяч галактик с нестационарными ядрами.

3.Квазары. В 1960 году ученые обратили внимание на звездообразные объекты, источники мощного радиоизлучения. После анализа спектров этих источников установили, что они находятся на расстоянии более миллиарда световых лет. Подобные объекты были названы квазарами. Квазары находятся далеко за пределами Галактики. Размеры квазаров не превышают нескольких световых дней, то есть 10¹³–10¹⁴ м, а мощность излучения превышает мощность Солнца в триллион раз. Общее количество квазаров ярче 20m звездной величины оценивают в сто тысяч. Ряд особенностей квазаров указывает на их сходство с активными ядрами галактик. Однако, мощность выделения энергии квазаров в сотни и тысячи раз больше, чем у активных галактик. В настоящее время есть гипотеза, что квазары – ядра далеких галактик на стадии необычно высокой активности, когда их излучение столь велико, что «забивает» излучение самой галактики. На изображениях многих квазаров, полученных на телескопе Хаббла, наглядно видны галактики, окружающие эти объекты, как эллиптические, так и спиральные.

Механизм выделения огромного количества энергии ядрами активных галактик и квазарами остается до конца не известным. Предполагается, что он связан с высвобождением гравитационной энергии. В настоящее время общепризнано, что в центре некоторых активных галактик находится сверхмассивные черные дыры, с массой в миллиарды солнечных. По-видимому, активность ядра становится очень высокой в тех случаях, когда вблизи черной дыры скапливается достаточное количество газа (смотри рис.5).

Рис. 5. Природа квазара пока не изучена

Вопросы для контроля.

1. 
   Какие типы галактик вы знаете?
   
2. 
   Что такое вилка Хаббла?
   
3. 
   Какие галактики называются активными?
   
4. 
   К какому типу галактик относятся Магеллановы облака?
   
5. 
   Что такое квазар?