АСТРОНОМІЯ - Навчальний посібник для профільної школи 2017

Частина 2. Основи астрономії

Розділ ІІІ. Елементи позагалактичної астрономії

Тема 3.1. Наша галактика

§ 25. Будова Галактики

Вступ

Завдяки невтомній праці кількох поколінь астрономів, ми знаємо, що Сонячна система міститься всередині велетенського зоряного утворення яке називаємо Галактика (інакше — наша галактика, або Молочний Шлях).

Цілі вивчення § 25

Вивчивши матеріал цього параграфа, Ви будете:

• знати й розуміти поняття галактика, ядро, гало, корона Галактики; причину існування Молочного Шляху на зоряному небі Землі; будову Галактики та її складові частини; розмір Галактики та кількість зір в Галактиці; типи населення Галактики; особливості обертання Галактики; місце Сонячної системи в Галактиці; рухи Сонця в Галактиці;

• уміти розрізняти на зоряному небі Молочний Шлях;

• оцінювати місце Сонячної системи в Галактиці.

Актуалізація раніше набутих знань / компетентностей

Треба повторити матеріал § 11 (Будова Сонячної системи) та § 17 (Поняття зорі. Найближча зоря — Сонце).

Методичні поради щодо опанування навчального матеріалу

Зверніть увагу на історію вивчення Галактики. Хоча сріблясто-білу смугу Молочного Шляху люди бачили на зоряному небі здавна, тільки телескопічні спостереження дозволили встановити, що це складова великої зоряної системи. Нашу галактику поділяють на кілька підсистем — їх бажано чітко уявити у загальній схемі будови Галактики. Зверніть увагу на питання положення Сонця в Галактиці.

Великим зоряним містком, перекинутим через усе зоряне небо, видається спостерігачеві Молочний Шлях. Щоправда для жителів міст він став практично недоступним, адже його сяйво зникає у світлі яскравих вуличних вогнів. Молочний Шлях найкраще спостерігати далеко від великих поселень. В Україні особливо красивим він буває в серпні, коли проходить через зеніт від обрію до обрію.

1. З історії вивчення Галактики. Таємниця Молочного Шляху (рис. 25.1) хвилювала людей впродовж багатьох століть. Міфи та легенди народів світу зберегли різні його назви — Чумацький Шлях (в Україні), Зоряний Міст, Небесна Ріка та інші. Жителі стародавньої Греції називали його Galaxias kuklos, що означає «молочне коло». Від слова «галактикос», тобто «молочний», походить і слово «галактика».

Рис. 25.1. Молочний Шлях на зоряному небі Землі.

Природа Молочного Шляху стала прояснюватись лише в 1610 році. Хоча ще старогрецькі мислителі, зокрема Піфагор, Левкіпп, Демокріт, вважали, що це — величезне скупчення зір. Але то були поодинокі, не підкріплені доказами, міркування. Лише Галілео Галілей, направивши в січні 1610 р. свого телескопа на небо, згодом впевнено заявив: «Я вивчив природу й речовину Молочного Шляху. За допомогою телескопа я міг досліджувати його прямо і з такою очевидною достовірністю, що всі філософські суперечки про нього, які вводили в оману впродовж багатьох століть, вирішені, і ми, нарешті, позбавлені від цих розлогих дебатів. Насправді, Галактика — це не що інше, як скупчення незліченних зір. Наведіть телескоп на будь-яку її частину, і ви одразу побачите величезну кількість зір, багато з яких досить великі й яскраві; число ж дрібних зір неможливо навіть оцінити». Проте чому неяскраві зорі концентруються у вузьку смугу, зрозуміти на той час було неможливо.

Вивчати будову Галактики не просто, адже ми перебуваємо всередині цієї зоряної системи. Важко скласти план міста чи селища, якщо ви стоїте на одному місці й маєте змогу лише роздивлятись навсебіч. Так само спостереження нашої зоряної системи ускладнені, багато її деталей приховані від нас, бо Сонячна система лежить в її площині — ми не можемо охопити поглядом, оцінити будову Галактики. Однак незважаючи на такі ускладнення астрономи, починаючи від піонерських робіт Вільяма Гершеля у XVIII ст., знайшли методи, скориставшись якими змогли розкрити багато таємниць Галактики.

Музикант і композитор за освітою, аматор астрономії за покликанням (власноруч виготовляв телескопи, найбільший з яких мав діаметр дзеркала 147 см., довжину труби 12 м і масу в одну тонну) — англієць Вільм Гершель у XVIII ст. став фундатором вивчення Галактики.

Метод, який В. Гершель застосував для визначення будови Галактики, є простим підрахунком зір у полі зору телескопа на вибраних ділянках (більше тисячі) небесної сфери (метод «черпаків»). Звісно, в різних частинах неба виявилась різна кількість зір. На основі цих спостережень Гершель зробив висновок про форму Молочного Шляху як про «зоряний острів» у Всесвіті, до якого належить і Сонце. Він створив схематичний малюнок, з якого випливало, що наша зоряна система має неправильну витягнуту форму і нагадує величезний диск (рис. 25.2). Оскільки цей диск оточує Сонячну систему кільцем, то це означає, що Сонце міститься всередині нього і розташоване десь поблизу центральної частини. Саме такою уявляв В. Гершель нашу галактику й це уявлення існувало в астрономії майже до середини минулого століття.

Рис. 25.2. Будова нашої галактики за уявленнями В. Гершеля.

На підставі висновків В. Гершеля і його послідовників виходило, що Сонце посідає в Галактиці особливе центральне положення. Така структура була чимось схожа на геоцентричну систему світу, прийняту до епохи Коперника, з тією лише відмінністю, що раніше центром Всесвіту вважали Землю, а не Сонце.

Лише у ХХ ст. вдалося виявити загальну будову нашої галактики, яка насправді булла дуже не схожою на те, як її уявляв собі В. Гершель. Цьому сприяли роботи багатьох астрономів, особливо Едвіна Габбла і Вальтера Бааде.

2. Підсистеми Галактики. Якби ми могли подивитися на Галактику ззовні, наприклад, «згори», то побачили б, що вона нагадує плоский диск, в якому чітко простежуються спіральні рукави (рис. 25.3.).

Рис. 25.3. Приблизна такий вигляд має наша галактика, якщо її розглядати «згори» чи «знизу».

Незважаючи на те, що зовнішній вигляд Г алактики вказує на її плоску зовнішню форму, це не зовсім так. Диск Галактики огортає гало — хмара розрідженої речовини. Його радіус досягає 46 000 пк (150 тис. св. р.). Навколо ядра з перемичкою (бар) і центрального потовщення (балдж) є велика кількість кулястих зоряних скупчень, утворених старими холодними червоними зорями. Такий явний поділ нашої зоряної системи на окремі великомасштабні елементи дав підставу астрономам говорити про підсистеми Галактики — плосу і сферичну. Окрім того, кожна з них поділяється на окремі підсистеми (див. рис. 25.4 і табл. 25.1).

Рис. 25.4. Схематичний вигляд нашої галактики збоку: 1 — гало; 2 — кулясте скупчення; 3 — балдж; 4 — товстий диск; 5 — тонкий диск; 6 — галактичний екватор; 7 — галактичний центр з баром.

Таблиця 25.1 Галактики

Назва

Характеристика

Галактичний центр

У центрі нашої галактики міститься чорна діра, маса якої в 2,6 мільйони разів перевищує масу Сонця. Вона оточена щільним шаром газу і пилу, зоряними скупченнями, залишками наднових зір і молекулярною хмарою, маса якої в 10 тисяч разів більша за сонячну. Всі ці об’єкти утворюють ядро Галактики, яке на зоряному небі лежить у сузір’ї Стрільця.

Бар

Протяжне утворення, що поєднує галактичний центр та спіральні рукави. Його виявили відносно недавно — наприкінці ХХ ст.

Балдж

Сферичне потовщення навколо ядра Галактики. Загальна маса балджа в 20 мільярдів разів перевищує масу Сонця. Тут переважають старі зорі з малим умістом металів.

Тонкий диск

Поперечник тонкого диска становить понад 30 кпк (майже 100 тис. св. р.), а товщина — від 92 до 920 пк (300 —3 000 св.р.). Ця підсистема Галактики вміщує лише п’ять відсотків галактичної маси, зате випромінює до 90 відсотків світла, бо саме тут перебувають молоді зорі. Тут також багато газопилових хмар, де ще мільярди років будуть народжуватися нові зорі. У тонкому диску є два (можливо, чотири) великі й кілька десятків маленьких спіральних рукавів. Тонкий диск трохи вигнутий; його кривизна з незрозумілої досі причини змінюється з часом.

Товстий диск

Оточує тонкий диск і має такий же діаметр. Його товщина становить від 920 до 5500 пк (3 — 18 тис. св. р.).

Кулясті скупчення зір

Підсистема Галактики до якої, за оцінками астрономів, входить близько трьохсот кулястих скупчень. Окреме скупчення вміщує від 10 тисяч до мільйона зір, що утримуються як єдине ціле силою гравітації. Обертаються навколо галактичного центра, часто перетинаючи диск галактики.

Гало

Утворення у вигляді еліпсоїда діаметром понад 184 кпк (600 тис. св. р.), що вміщує всі інші підсистеми Галактики. Обертається гало дуже повільно. Його маса становить від двох до шести трильйонів сонячних мас. До складу гало входять одинокі зорі, кулясті

 

скупчення й газові хмари, причому загальна маса зір не перевищує мільярда сонячних мас. Проте основним компонентом гало є темна матерія.

Корона

Зовнішня підсистема Галактики — шар водневої плазми, що утворений, імовірно, внаслідок вибухів наднових зір.

Спіральна структура Галактики. У 50-х роках ХХ ст. з допомогою радіотелескопів було складено картину розподілу хмар іонізованого водню (випромінює на довжині хвилі 21 см), що міститься в околицях Сонця. З’ясувалося, існують принаймні чотири ділянки, які можна було б ототожнити зі спіральними рукавами (або гілками) Молочного Шляху. Один із них, найближчий до Землі, називають рукавом Оріона—Персея. Той, що ближче до центра Галактики й, відповідно, далі від Землі назвали рукавом Лебедя, а дав інші — рукавом Стрільця й рукавом Кентавра. Щоправда детальної картини спірального візерунка Молочного Шляху ми поки не маємо: його гілки зливаються одна з одною, і визначити відстань до них дуже важко.

Рис. 25.5. Спіральна структура галактики Молочний Шлях, визначена на підставі радіоспостережень.

Наявність спіральних гілок у Галактиці пояснюють гігантськими хвилями стиснення й розрідження міжзоряного газу, які пробігають галактичним диском. Важливим є те, що орбітальна швидкість Сонця в Галактиці майже збігається зі швидкістю руху хвиль стиснення. Саме тому наша планетна система залишається попереду фронту хвилі вже кілька мільярдів років. Ця обставина, ймовірно, мала велике значення для виникнення і збереження життя на Землі.

Раніше астрономи вважали — Галактика пересічна спіральна зоряна система (§ 27), але виявилося, що вона має бар. Перші докази існування такої структури з’явилися в 70-х роках ХХ ст. — на неї вказували орбіти зір і хмар газу в центрі Галактики, що не відповідали уявленням про пересічну спіральну структуру. Виявити бар вдалося в оглядах неба, виконаних у ближньому інфрачервоному діапазоні, що дозволили побачити приховане пилом галактичне ядро.

Нині в астрономії превалює думка, що бари і спіралі — це не одвічні елементи галактик. Імовірно, ці структури виникають і зникають під дією гравітації у процесі еволюції зоряної системи.

Массу нашої галактики оцінюють у 150 млрд сонячних, а кількість зір — до 400 млрд. Але враховуючи відкриття холодних маломасивних коричневих карликів, які важко спостерігати, напевне їх кількість значно більша.

Дослідження зір, а всі зорі, які ми бачимо над головою в ясну ніч, належать нашій галактиці, показало — вони істотно відмінні між собою фізичними параметрами. Тому В. Бааде розділив зоряне населення Галактики на дві групи — два типи населення. До населення I типу віднесено зорі, що заповнюють спіральні гілки Галактики, зорі розсіяних скупчень, довгоперіодичні цефеїди. Важливими представниками населення I типу є гарячі зорі — білі гіганти, зорі ранніх спектральних класів. Населення II типу — це зорі кулястих скупчень, зорі ядра Галактики. Серед цього типу населення виділяються яскраві червоні надгіганти.

Аналіз хімічного складу зоряних атмосфер привів до висновку, що у зір населення I типу (плоска складова Галактики) металів приблизно у сто разів більше, ніж у зорях II типу (сферична складова). Це зміцнило переконання астрономів у тому, що розподіл зір на підсистеми має глибокий еволюційний сенс (зокрема виявлено, що в цілому населення I типу значно молодше за населення II типу).

Молоді зорі у площині Галактики виникають завдяки наявності там величезної кількості пилу і газу. Відомо, що зорі народжуються якраз у процесі стискання речовини в газопилових хмарах. Через мільйони років новонароджені зорі очищають простір навколо себе від пилу та газу і стають видимими.

Рис. 25.6. Газопиловий комплекс в сузір’ї Оріона — найвідоміше місце в нашій галактиці, де відбувається інтенсивне утворення зір.

3. Місце Сонячної системи в Галактиці. Сонце вкупі зі своїми планетами рухається навколо ядра Галактики в одному з її «тихих закутків». Відстань до центра Галактики становить близько 9 кпк (25 тис. св.р.). Перебуваючи на такій відстані, Сонце здійснює один оберт навколо нього за майже 230 мільйонів років, які становлять галактичний рік (швидкість руху Сонця — 220 км/с). Земля вже облетіла навколо центра Галактики приблизно 25 разів.

Водночас Сонячна система міститься в дещо особливій ділянці Галактики. Цю ділянку називають Місцевою Бульбашкою (Місцевий Пузир, англ. — Local Bubble), бо вона має вигляд міхура радіусом приблизно в 90 пк (300 св. р.). У цій бульбашці є локальна міжзоряна хмара поперечником 10 пк (30 св. р.), де нині й міститься Сонячна система. Специфіка цієї ділянки полягає в тому, що всередині неї густина міжзоряного газу не більша за 1 атом на 10 см3 — це приблизно уп’ятеро менше, ніж в навколишньому просторі. Сонце разом з планетами увійшли в цю хмару, за різними оцінками, від 44 до 150 тис. років тому, а вийде з неї протягом найближчих десятків або сотень тисяч років.

Місцева Бульбашка (Місцевий Пузир) — явище недавнє. Ще 10 млн р. тому вона не існувала, і Сонце з планетами прокладало собі шлях крізь густіший, але й холодніший газ. Проте спалахи наднових зір на відносно близькій відстані від Сонця вимели з його околиць велику кількість газу, сприяючи утворенню Місцевої Бульбашки (Місцевого Пузиря).

Рис. 25.7. Приблизне місце розташування Сонця в галактиці (а) та Місцевий Пузир (б).

Під час утворення Місцевого Пузиря тиск газу мав би знищити локальну міжзоряну хмару. Але цього не трапилося, бо хмара має відносно сильне магнітне поле. Воно в сотню тисяч разів слабкіше за магнітне поле Землі, але цього досить, щоб утримувати хмару від руйнівання зовнішніми чинниками.

Сонячна система рухається крізь локальну міжзоряну хмару зі швидкістю близько 25 км / с (83700 км / год), оточена величезним «коконом» магнітного поля. Це утворення називають геліосферою. Її породжує Сонце, що випромінює неперервний потік заряджених частинок — сонячний вітер. На межі Сонячної системи сонячний вітер зустрічається з потоком міжзоряної речовини. Тут сонячні частинки різко втрачають швидкість і починають взаємодіяти з міжзоряною речовиною, врешті-решт змішуються з нею і гублться на величезних просторах Галактики.

Заряджені частинки міжзоряної речовини всередину Сонячної системи не проникають — їх відхиляє геліосфера. Лише частинки, що не мають заряду, проникають у внутрішню частину нашої планетної системи. Зрештою, більшість із них потрапляє у сферу впливу Сонця і падає на ного. Нині для їх реєстрації та аналізу використовують космічний зонд IBEX (Interstellar Boundary Explorer, зонд для дослідження міжзоряного кордону). Він також вивчає взаємодію заряджених частинок на далеких кордонах Сонячної системи. Дані, отримані цим зондом, а також космічними апаратами «Вояджер-1», «Вояджер-2» та «Кассіні», свідчать, що форма геліосфери майже сферична, а не кометоподібна, як вважали раніше.

Рис. 25.8. Уявлення про геліосферу, що екранує близько 90% космічних променів, захищаючи Сонячну систему.

Типова задача

Обчисліть, бодай грубо, скільки часу космічний апарат «Вояджер-1» перетинатиме диск Галактики, рухаючись з швидкістю 17,0 км/с.

Відповідь: Діаметр диска Галактики становить приблизно 3 х 104 (100 тис. св. р., або 9 х 1017 км). З формули 5 = t х v, знаходимо t = 0,53 х 1017 с, або 1,58 х 109 років.

Навчальні завдання

• Чому до телескопічних спостережень Ґ. Ґалілея природа Молочного Шляху була таємницею?

• Уявіть собі, що ви спостерігаєте Галактику, перебуваючи на самому краю її диска, де зір уже вкрай мало. Яким ви побачите тоді зоряне небо?

Висновки

Зоряну систему, в якій міститься Сонце, називають Галактика (інакше — наша галактика, або Молочний Шлях). В галактиці розрізняють плоску й сферичну підсистеми, які також поділяються на кілька складових. Сонячна система міститься в особливому місці в Галактиці — у Місцевому Пузирі.

Запитання для самоперевірки

1. Поясніть, чому складно досліджувати нашу галактику?

2. Назвіть основні складові будови Галактики.

3. На основі яких спостережень і коли було виявлено спіральну структуру Галактики?

4. Поясніть, чому зорі в Галактиці розподілені на два типи населення?

5. Коротко опишіть місце розташування Сонячної системи в Галактиці.

Додаткові та цитовані джерела інформації до § 25

• Розділ «Наша галактика» Українського астрономічного порталу. (http://www.astrosvit.in.ua/statti/nasha-halaktyka)

За результатами вивчення § 25 Ви маєте:

знати й розуміти

поняття галактика, ядро, гало, корона Галактики; причину існування Молочного Шляху на зоряному небі Землі; будову Галактики та її складові частини; розмір Галактики та кількість зір в Галактиці; типи населення Галактики; особливості обертання Галактики; місце Сонячної системи в Галактиці; рухи Сонця в Галактиці.

уміти

розрізняти на зоряному небі Молочний Шлях.

оцінювати

місце Сонячної системи в Галактиці.





Відвідайте наш новий сайт - Матеріали для Нової української школи - планування, розробки уроків, дидактичні та методичні матеріали, підручники та зошити