Съвременни представи
Строеж на галактиката:
• Форма
• Хало
• Диск
• Ядро
• Спирални ръкави
• Кълбовидни (сферични) звездни купове
• Разсеяни звездни купове
• Мястото на Слънцето в Галактиката
• Разстояния в Галактиката
• Местна група

След изобретяване на телескопа, учените за пръв път осъзнат, колко голямо е количеството звезди в космическото пространство. През 1755 год. немският философ и естествоизпитател Имануил Кант предполага, че звездите образуват в Космоса групи, подобни на теза, каквато планетите в Слънчевата система. Тези групи той нарича "звездни острови". По мнението на Кант, един от тези безчислени наброй острови е и Млечният път – грандиозен куп от звезди, видим на небето като светла мъглява лента.

example2
Размери на нашата Галактика

Основавайки се на резултатите от своите измервания, Хершел прави опит да определи размера на Млечния път. Той предполага, че Галактиката има диаметър не по-голям от 850 единици и широчина - 200 единици. За единица взима разстоянието до звездата Сириус. В по-съвременна скала това разстояние съответства на 7300 x 1700 светлинни години. Тази оценка до известна степен вярно отразява структурата на Млечния път, въпреки че не е точна. Проблемът е в това, че в състава на Галактиката влизат многочислени газови облаци, които отслабват светлината, идваща от отдалечените звезди. Първите изследователи на Галактиката не знаят за това поглъщане на веществото. Те мислят, че виждат всички звезди.

Истинските размери на Галактиката са установени през 20 век. Оказва се, че тя е значително по-голяма от това, което се предполага. Диаметърът на галактическия диск превишава 100 000 светлинни години, а ширината му – 1000 светлинни години. От това че Слънчевата система се намира практически в плоскостта на Галактиката, която е запълнена с поглъщаща материя, голяма част от детайлите на Млечния път остават скрити от погледа на земния наблюдател. Въпреки това, тя може да бъде изучавана, използвайки наблюдението на галактики сходни с нея. През 40-те години на 20 век немският астроном Валтер Бааде наблюдава галактиката М31(Андромеда). Той забелязва, че плоският лещообразен диск на тази огромна галактика е потопен в силно разреден звезден облак със сферична форма – хало. Правейки аналогия с нашата Галактика, той предполага, че и тя има същата структура. Звездният галактически диск е наречен население от първи тип, а звездното хало - население от втори тип.

Както показват съвременните изследвания, двата типа населения не се различават толкова по пространственото положение, колкото от възрастта на звездите и техния химичен състав.

Строеж на Галактиката


Форма

Наблюдения от телескопа Спитцър през 2005 год. подкрепят доказателствата, че Млечният път е пресечена спирална галактика. Тя се състои от пръчковидна зона около ядрото, обгърната от газов диск, звезден прах и звезди. В региона на диска има няколко ръкавни структури, които са под формата на логаритмична спирала. Разпределението на масата в Галактиката е много близко до класификацията на Хъбъл за спирална галактика със сравнително слабо извити ръкави (Sbc). През 1970 год. се предполага, че Млечният път е от типа SAB(rs)bc, където "rs" показва структура на разкъсан пръстен около района на ядрото. Едва през 80-те години астрономите предполагат, че Млечният път е пресечена спирала, а не обикновена, като наблюденията през 2005 год. потвърждават това. Те показват и че централната ивица на Галактиката е по-дълга от очакваното, от типа SBbc (слабо завита пресечена спирала).

example2
Хало

Границите на нашата Галактика се определят от размерите на халото. Радиусът на халото е значително по-голям от размера на диска и по някои данни достига няколко стотици хиляди светлинни години. Центърът на симетрията на халото на Млечния път съвпада с центъра на галактическия диск. В състава на халото влизат много стари, неярки, маломасивни звезди. Те са както единични, така и могат да се намират в състава на кълбовидни звездни купове, които включват в себе си повече от милион звезди. Възрастта на населението на сферическата компонента на Галактиката, превишава 12 млрд години. Това обикновено се приема за възраст на самата Галактика. Характерна особеност на звездите от халото е необичайното малко количество на тежки елементи в състава им. Звездите образуващи звездни купове съдържат метал, стотици пъти по-малък от това на Слънцето.

Звездите от сферичната компонента се концентрират към центъра на Галактиката. Централната, най-плътната част на халото, намираща се на няколко стотици светлинни години от центъра на Галактиката, се нарича "уплътнение". Звездите и звездните купове в халото се движат в кръг около центъра на Галактиката по доста изтеглени орбити. От това, че въртенето на отделните звезди протича почти безпорядъчно, халото като цяло се върти много бавно.

example2
Диск

В сравнение с халото, галактическият диск се върти забележително бързо, като скоростта му на въртене не е еднаква на различни разстояния от центъра. Тя се изменя от 0 в центъра до 200-240 км/сек на разстояние 2 000 светлинни години от него. След това малко намалява и отново възвръща предната стойност, като остава почти постоянна до края. Изучаването на особеността във въртене на диска позволява да се оцени неговата маса. Оказва се, че тя е повече от 150 млрд пъти по-голяма от масата на Слънцето. Населението на диска силно се различава от това на халото. В близост до равнината му са концентрирани млади звезди и звездни купове, възрастта на които не превишава няколко милиарда години. Те образуват така наречената равнинна съставляваща. Сред тях има много ярки и горещи звезди.

Газът в диска на Галактиката също е съсредоточен в неговата равнина. Той е разположен неравномерно, образувайки многочислени газови облаци. Те могат да бъдат гигантски, нееднородни по структура свъхобразувания, разпростиращи се на разстояние от няколко хиляди светлинни години, както и малки облаци с размери не по-големи от 1 парсек (пс). Основният химичен елемент в нашата Галактика е водородът, а хелият е около ¼. В сравнение с тези два елемента, останалите присъстват в много малко количество. Средният химически състав на звездите и газа в диска е почти същия както на Слънцето.

Ядро

Една от най-интересните области в Галактика е нейният център (ядро). Той е разположен в направление на съзвездието Стрелец. Видимото излъчване на централните области на Галактиката е скрито за нас от мощни слоеве поглъщаща материя. example2 Ето защо негово изучаване започва едва след създаването на приемници на инфрачервени и радиовълни. (Инфрачервените и радиовълните се поглъщат в по-малка степен от междузвездния прах и газ.) В ядрото на Галактиката концентрацията на звезди е огромна. Във всеки кубичен парсек близо до центъра, звездното съдържание е много по-голямо от хиляди. Разстоянието между звездите е десетки, дори стотици пъти по-малко от това в околностите на Слънцето. Ако ние живеехме на планета около звезда, намираща се в близост до ядрото на Галактиката, на нашето небе биха се виждали десетки звезди, по-яркост съпоставими с Луната и повече от хиляди по-ярки от най-ярките звезди на нашето небе. В допълнение на огромното количество звезди, в централната област на нашата Галактика се наблюдава централен околоядрен газов диск, състоящ се предимно от молекулен водород. Неговият радиус превишава 1000 светлинни години.

Недалеч от центъра на нашата Галактика се забелязва област от йонизиран водород и многочислени източници на инфрачервено излъчване, които свидетелстват за протичащи процеси на звездообразуване. В самия център на Галактиката се предполага за съществува на масивен компактен обект – черна дупка,имащ маса около милиони пъти масата на Слънцето. Там се намира така яркият радио източник Стрелец А*, произходът на който е свързан с активността на ядрото.

Спирални ръкави

Едно от най-забележителните образувания на нашата Галактика са спиралните ръкави. Те дават именно названието на този тип обекти – спирални галактики. Спиралната структура в Млечния път е много добре развита. Във вътрешността на ръкавите са съсредоточени основно най-младите звезди, много разсеяни звездни купове и асоциации, а също така верига от плътни облаци от междузвезден газ, в които продължават да се образуват звезди. Там се намират голямо количество променливи и избухващи звезди, като често се наблюдават избухване на свръхнови. За разликата от халото, където звездната активност е рядка, в ръкавите има непрекъснато преход между вещество от междузвездното пространство в звезди и обратно. Галактическото магнитно поле прониква през целия галактически диск и също е съсредоточено главно в спиралните ръкави.

Карти на спираловидна структура на Млечния път са изключително несигурни и имат поразителни различия. В момента не съществува консенсус по отношение на броя на спиралните ръкави. Най-разпространено е твърдението, че има пет главни ръкави, които почват от центъра на Галактиката и всеки от тях описва логаритмична спирала с разгъване около 12 градуса. Имената им са (по схемата): 3-kpc и ръкав Персей (в син цвят), ръкави Норма и Лебед с новооткрито удължение (виолетов), ръкав Щит-Южен кръст (зелен), ръкави Кил и Стрелец (розов) и ръкав Орион, в които е Слънчевата система (оранжев).

example3

Извън основните ръкави е Външният пръстен или пръстен Моносеръс. Той се състои от газ и звезди, откъснати от други галактики преди милиарди от години.

Както при повечето галактики, така и в Млечния път, орбиталната скорост на повечето звезди не зависи силно от разстоянието им до центъра. Далеч от галактическия център и външния пръстен, типичната звездна скорост е между 210 и 240 км/сек. Оттук орбиталният период на една звезда е директно пропорционален само на дължината на изминатия път. Този факт е един от главните доказателства за съществуването на тъмна материя.

Друг интересен аспект е проблемът с "навиването" на спиралните ръкави (известен като ликвидационен проблем). Ако се сметне, че вътрешните части на ръкавите се въртят по-бързо от външните, то Галактиката ще се завие дотам, че спиралната структура ще се изглади. Факт е, че това не се наблюдава при спиралните галактики.

През 1964 год. астрономите Ли и Шу предлагат решение на този проблем, като изказват хипотезата за съществуването на плътностни вълни. Тези вълни представляват относително бавно движещи се области на по-голяма плътност, излизащи радиално от центъра на Млечния път. Поради въртенето на Галактиката, тези радиални плътностни вълни преминават в спираловидни.

Онагледяването им лесно става, използвайки аналогия с трафика на коли по магистрала. Автомобилите се движат, попадайки на места със задръствания (места с по-голяма плътност на колите). Както колите, така и тези места на уплътняване се преместват, но с много малка скорост спрямо тях. В Галактика, звездите, газовете, прахът и другите компоненти се движат през плътностните вълни. В тези места те се компресират (там се раждат и нови звезди), а след това се изнасят от тях. Причината за възникването на такива вълни могат да бъдат асиметрия в разпределението на масите в централната част на Галактиката или да са резултат от действие на гравитационни приливни ефекти при взаимодействащи си галактики – външно въздействие спрямо дадената галактика.

example3

Теорията за съществуването на плътностните вълни твърди, че гравитационното привличане между звездите, на различно разстояние от центъра на Галактиката, подържа спиралната структура на ръкавите и решава ликвидационения проблем.

Кълбовидни (сферични ) звездни купове

Куповете са група от звезди свързани с общ произход, положение в пространството и движение. В неголям телескоп, кълбовидните звездни купове изглеждат като тясна група от звезди. Всички те имат силно изразена сферична или леко сплесната форма, като звездите в тях са концентрирани към центъра и се сливат в едно светло петно.example1 Ако ги наблюдаваме през телескоп, имащ висока разделителна способност (например Хъбъл), могат да се видят звезди от централната им част. Повечето от тях съдържат милиони звезди. Количеството звезди в кубичен парсек в центъра им е от няколко стотин до десетки хиляди. (В околностите на Слънцето е една на кубичен парсек.) Диаметърът на кълбовидните купове е от 20 до 100 парсека. Те са най-старите обекти в нашата Галактика и са се образуват заедно с нея. В миналото в техния състав влизат звезди с най-различна маса, като най-леките са няколко пъти по-малко масивни от Слънцето, а най-тежките превишавали масата на Слънцето десетки пъти. В масивните звезди всички процеси протичат по-интензивно в сравнение с леките. Те бързо изхабяват своя запас от енергия и умират. За това сега в кълбовидните купове присъстват само малко масивни звезди и те в болшинство се намират в последен стадий на своята еволюция. Когато и те умрат, в кълбовидните купове ще останат само най-малките звезди, чиито живот е много дълъг. Знаейки броя на звездите с различна маса в звездния куп, може да се определи колко отдавна е възникнал той. Възрастта на кълбовидните звездни купове се изчислява на не повече от 12 млрд год.

Масивните звезди, бивши някога членки на тези системи, не са изчезнали безследно. От тях са останали бели джуджета, неутронни звезди и възможно черни дупки. Често те могат да бъдат открити по гравитационното им взаимодействие с другите членове на купа. Резултатът е избухване на свръхнови, пулсари. Старите звезди често губят своята устойчивост и започват регулярно да менят яркостта си – стават променливи. Подобни звезди (цефеиди) в кълбовидните звездни купове са много.

Родени едновременно с галактиките, кълбовидните звездни купове практически съхраняват химичния състав на гигантския догалактически облак, от който са формирани. В сферичните звездни купове има ниско съдържание на тежки химични елементи. Историята на образуването на сферичните звездни купове се е отразила на тяхното пространствено разпределение в Галактиката. Всичките те са разположени със сферична симетрия относно на центъра й.

Разсеяни звездни купове

Известните разсеяни купове са много повече, въпреки че те по-трудно се откриват. Заради ниската си звездна плътност те лесно могат да бъдат объркани със случайни звезди, които са наблюдавани в това направление. Отделянето на реална група звезди, става чрез изследване на техните движения в пространството и отдалечаване от Слънцето.example1 Ако звездите се намират на еднакво разстояние от нас и се движат в едно и също направление, те са свързани в една система. В момента са открити повече от 1200 разсеяни купове, като най-известните от тях са Плеядите и Хиадите. Като правило разсеяните звездни купове се състоят от няколко стотици до хиляди звезди, като най-богатите от тях имат до десетки хиляди членове. Масата на разсеяните звездни купове е неголяма и тяхното гравитационно поле не е в състояние дълго да противодейства на разрушението на купа. Просъществуващи около милиарди години, те се разсейват в океана на Галактиката. В най-младите купове все още продължават да се раждат звезди. В кръг около много звезди се виждат останки от газовите облаци, от които са възникнали. Разсеяните купове съдържат много масивни, ярки, променливи и избухващи звезди, звезди с необикновен химичен състав. Средното съдържание на различните елементи в тях е близо до Слънчевото, но то може силно да се отличава при различните купове. Също така се наблюдава зависимост между химическия състав и разстоянието на купа от центъра на Галактиката. Колкото е по-близък, толкова съдържанието на тежки елементи е по-голямо.example1

Асоциациите са друг тип групиране на звезди, обединени от общо образуване. Те са повече разредени отколкото куповете и ги превъзхожда значително по размер – 200, 300 светлинни години. В тях може да се съдържат от няколко до десетки горящи сини звезди, с висока светимост, които доста рядко се срещат в природата, защото имат относително малък живот. Някой звезди в асоциациите са толкова млади, че дори още окончателно не са формирани. Асоциаците по правило са свързани с масивни облаци от хладен молекулярен газ, от който възникват и звездите. Мощните избухвания и потоци изтичащи от тях, изпращат в междузвездното газово-прахово пространство огромна енергия, като го нагрява и изхвърля от асоциацията. В резултат, звездната група се оказва неустойчива и бързо се разширява, като се губи на фона на обкръжаващите звезди.

Мястото на Слънцето в Галактиката

В околността на Слънцето е възможно да отделим участъците на два спирални ръкава, намиращи се на разстояние на около 3 000 светлини години от нас. Имената им идват от съзвездията, където са намерени тези участъци – ръкав Стрелец и ръкав Персей. Слънцето се намира почти в средата на тези два ръкава. Истината е, че сравнително близко до нас, в съзвездието Орион, се намира още един немного ясно изразен ръкав, който се счита за един от основните ръкави на нашата Галактика - ръкавът Орион. Разстоянието от Слънцето до центъра на Галактиката е около от 23 до 28 хиляди светлинни години. Това показва, че Слънцето е разположено по средата между центъра и края на диска. Заедно с всички близки звезди, Слънцето обикаля в кръг около центъра на Галактиката със скорост от 200 до 220 км/сек, правейки един оборот за приблизително 200 млрд години. (За цялото съществуване, Земята е направила не повече от 30 обиколки около центъра на Галактиката.) Скоростта на въртене на Слънцето около центъра на Галактиката практически съвпада с тази скорост, с която в даденият район се движи вълната на уплътнение, формираща спиралния ръкав. Тази ситуация въобще не e нормална за Галактиката: спиралните ръкави се въртят с постоянна ъглова скорост, както спици на колела, а движението на звездите, както се вижда се подчиняват на съвършено различен закон. За това почти цялото звездно население на диска, ту попада във вътрешността на спиралния ръкав, ту излиза от него. Единственото място, където скоростта на звездите и ръкава съвпадат е така наречената коротационна окръжност. Именно близо до нея се намира и Слънцето.

За Земята това обстоятелство е крайно благоприятно. В спиралните ръкави произхождат бурни процеси, пораждащи мощни излъчвания, които са пагубни за всичко живо и никаква атмосфера не би могла да го защити. Нашата планета съществува в относително спокойно място на Галактиката и в продължение на стотици милиони и милиарди години не изпитвала катастрофалното влияние на космически катаклизъм.

example3
Разстояния в Галактиката

При изучаването на нашата Галактика астрономите се сблъскват със сериозен проблем: Слънцето се намира точно в равнината на Млечния път, където е съсредоточен междузвездния газ и прах, който поглъща светлината на далечните звезди. За това ние виждаме много малка част от Галактическия диск, не по-далече от няколко кило парсека (Кпс) от Слънцето. Особено сложно е да се надникне в центъра на нашата Галактика, използвайки оптически телескопи. За астрономите е много важно да се определят мащабите на Галактиката. Без тях е невъзможно да се намери скоростта на въртене и масата на Галактиката, разстоянията до далечните звезди, купове и мългявини.

В началото за астрономите даже не е ясно в кое направление се намира центърът на Галактиката. За първи път през 1917 г. американският астроном Харлоу Шеплей предполага, че звездните купове, населяващи халото на Галактиката (те се виждат на по-големи разстояния), са симетрично разположени около Галактическия център. Забелязвайки, че сферичните купове са в повечето случаи в направление на съзвездията Скорпион, Змиеносец и Стрелец, Шеплей предполага, че някъде там се намира центърът на Млечния път. През 40-те години на 20-ти век инфрачервените телескопи, значително по-чувствителни към междузвездното поглъщане от оптическите, показват голяма концентрация на звезди в съзвездието Стрелец. По-късно радиотелескопите, за които прахът изобщо не пречи, фиксират в това съзвездие мощен радиоизточник Стрелец А*. Той съвпада с центъра на Галактиката. Шеплей се заема с определяне на разстоянието до него. На база на разпределението на кълбовидните звездни купове, той го оценява на 12 до 16 Кпс, като при това предполагала, че Слънцето се намира в края на галактическия диск и следователно диаметърът му е 30 Кпс. Главеният фактор на неопределност е да се пресметне междузвездното поглъщане: разстоянието до кълбовидните купове е опредено с 50% грешка. Минават години и се появяват нови оценки за разстоянието до звездите и звездните купове. Разминаванията в тях са доста съществени. Всеки изследовател, занимаващ се с този проблем намира своя стойност и предпочита да използва именно нея.

През 1963 г. астрономическото общество се договаря да приеме единна стойност за важните величини, характеризиращи размера на Галактиката (R0) и скоростта на въртене в района на орбитата на Слънцето (V0). Решено е R0 = 10 Кпс и V0 = 250 км/сек. През 1985 г. Генералната асамблея на Международния астрономически съюз препоръчва да се използва нови стойности R0 = 8,5 Кпс, V0 = 220 км/сек. Не всички астрономи се съгласяват с това, че тези стойности са по-точни от старите.

Астрономите не задълго ще приемат условните значения на важните величини, характеризиращи Галактиката. Грандиозни антенни системи – междуконтинентални радиоинтерферометри – вече имат висока разделителна способност, достигаща до 0,001" . Това ще позволи по-точно изчисление на R0.

През последните години са открити звезди, купове и облаци от газове на около 100 Кпс от центъра на нашата Галактика. Точният диаметър на нашия "звезден остров" става почти 200 Кпс – 700 000 светлинни години.

(Заб.: 1 светлинна година е равна на 0,3066 парсека.)

example2
Местна група

Местната група представлява гравитационно свързани галактики, включваща Млечния път и галактиката Андромеда. В нея влизат повече от 50 галактики, като това число непрекъснато нараства. Центърът на масата на Местната група се намира на линията съединяваща нашата Галактика и Андромеда.

Местната група може да се раздели на няколко подгрупи: example1

• Група на Млечния път – състои се от Млечния път и 14 известни за сега нейни спътника (статистика от 2005 год.), които са галактики джуджета с неправилна форма.

• Група на галактиката Анромеда – прилича на групата на Млечния път. В центъра и е гигантската спирална галактика Андромеда. Тя има 18 наброй сателитни галактики, които отново в повечето случай са галактики джуджета.

• Група на галактиката Триъгилник – включа галактиката Триъгълник (третата по големина в Местната група) и нейните спътници галактики.

• Други галактики, които не могат да се обособят в определена група.

Размерът на Местната група е около един мега парсек (Мпс). Местната група се явява част от Местния свръхкуп – свъхкуп Дева, главната роля в които играе купът Дева.