АСТРОНОМІЯ - Навчальний посібник для профільної школи 2017

Частина 2. Основи астрономії

Розділ ІІІ. Елементи позагалактичної астрономії

Тема 3.2. Галактики

§ 28. Великомасштабна структура Всесвіту

Вступ

Нині астрономи спостерігають у Всесвіті безліч скупчень галактик — груп із сотень або тисяч галактик, пов’язаних гравітацією. Водночас такі скупчення утворюють надскупчення галактик, які й формують великомасштабну структуру Всесвіту.

Цілі вивчення § 28

Вивчивши матеріал цього параграфа, Ви будете:

• знати й розуміти суть закону Габбла; методи вимірювання відстаней до галактик;

• уміти розв’язувати задачі на визначення відстаней до галактик зі зміщення спектральних ліній;

• оцінювати значення закону Габбла в астрономії.

Актуалізація раніше набутих знань / компетентностей

Треба повторити матеріал § 27 (Типи галактик), а також матеріал § 4 (Спектральний аналіз в астрономії) про використання в астрономії ефекта Доплера.

Методичні поради щодо опанування навчального матеріалу

Позагалактична астрономія, що виникла в 20-х роках минулого століття, менше, ніж за 100 років здійснила справжній «прорив» у питанні вивчення зоряних систем — галактик. Це перше, на що варто звернути увагу, працюючи з матеріалом цього параграфа. Окрім цього, варто зрозуміти принцип визначення відстаней до галактик з червоних зміщень ліній у їхніх спектрах.

Пояснювальний текст

Відкриття Е. Габбла (§ 27, п. 1) стали фундаментом позагалактичної астрономії, що вивчає світ галактик. Нині вивчення об’єктів, що лежать за межами нашої Галактики, відбувається дуже активно. Цьому сприяє те, що в руках астрономів є великі телескопи й надчутливі приймачі випромінювання.

1. Закон Габбла, визначення відстаней до галактик. Спостереження з домомогою великих телескопів слабких туманних цяток на зоряному небі, розпочаті у 20-і роки минулого століття, привели до висновку про те, що Всесвіт заповнений галактиками. Тоді в багатьох із них не

можна було спостерігати зорі, бо вони лежать на величезних відстанях. Згодом дослідження Е. Габбла, зокрема спектрів галактик, дозволили виявити важливу закономірність: що далі галактика від Землі, то з більшою швидкістю вона рухається, віддаляючись від нас. Такий висновок було зроблено на підставі зміщення спектральних ліній галактик у червону ділянку спектра (рис. 28.1).

Рис. 28.1. Зміщення спектральних ліній галактики в червону ділянку спектра (а) у порівнянні з лабораторним (еталонним) спектром (б).

Фактично Габбл пояснив зміщення спектральних ліній дією відомого ефекта Доплера й відкрив явище розбігання галактик. Залежність між відстанню до галактики та швидкістю її віддалення називають законом Габбла:

V = Hr (28.1),

де V — швидкість віддалення галактики від спостерігача, r — відстань до неї, а H — стала Габбла.

Сталу Габбла визначають на підставі спостережень, і нині її значення оцінюють приблизно в 74,2 км/(сМпк) (кілометрів на секунду на мегапарсек). На таку величину зростає швидкість руху галактики на кожний мегапарсек.

Рис. 28.2. Графік, що ілюструє закон Габбла.

Нині з червоних зміщень визначають відстані до галактик, віддалених від Землі на тисячі мегапарсек. Але треба мати на увазі, що значення цих відстаней залежить від моделі еволюції Всесвіту (§ 29, п. 2), яку використовують для розрахунків. Крім того, відстань, на якій була галактика у момент генерації світла, відстань до неї в момент, коли це світло дійшло до Землі, а також відстань, яку світло пройшло від початкової точки до кінцевої, — мають різні значення. Тому астрономи зазвичай для далеких об’єктів вказують значення червоного зміщення, не вдаючись до пояснення, про яку відстань ідеться.

Закон Габбла також дає змогу оцінити вік Всесвіту (звичайно, вельми спрощено і приблизно). Припустімо, що всі галактики від самого початку віддалялися від нас з тією ж швидкістю v, яку ми спостерігаємо нині. Нехай t — час, що минув від початку їх розльоту. Це і буде вік Всесвіту, а визначають його співзалежністю:

Але із закону Габбла (28.1) випливає, що r/v = 1/H, де Н — стала Габбла. Отже, вимірявши швидкості віддалення галактик й експериментально визначивши Н, можна отримати оцінку часу, протягом якого галактики розбігаються. Це і є прогнозований час існування Всесвіту. Звернімо увагу на те, що величина, визначена в такий спосіб, дуже чутлива щодо значення сталої Габбла. Лише її точна величина дає «справжній» вік Всесвіту.

Донедавна закон Габбла був прямо перевірений лише на відносно невеликих відстанях — тих, що вдавалося більш-менш точно виміряти. Про те, як відбувалося розширення Всесвіту в далекому минулому, тобто на великих відстанях, можна було робити висновок лише з непрямих спостережень. Виконати пряму перевірку закону Габбла на великих відстанях вдалося лише в кінці XX ст., коли з’явилася змога визначати відстані до далеких галактик зі спалахів у них наднових зір.

2. Розширення Всесвіту і просторовий розподіл галактик. Із закону Габбла випливає два важливих висновки. Перший — Всесвіт розширюється, наслідком чого і є розліт галактик. Причому, як показали спостереження, Всесвіт розширюється в буквальному сенсі слова «в нікуди». Іншими словами, галактики не просто розлітаються в різні боки в порожньому просторі, а розсовується сам простір. При цьому такі об’єкти, як зорі чи галактики, не зазнають цього розширення (принаймні досі це не зареєстровано), бо завдяки гравітації є стійкими утвореннями. Ще одна особливість цього розширення — зі спостережень із Землі здається, що скупчення галактик розбігаються однаково в різних напрямках, згідно з законом Габбла так, як наче наша галактика є центром Всесвіту. Однак це оманливе враження. Спостерігач хоч би де у Всесвіті буде бачити однакову картину — всі галактики розбігаються від нього. Це означає, що у Всесвіті немає центру, від якого йде розширення.

Другий висновок — Всесвіт колись мав початок. Такий висновок легко отримати, якщо подумки «прокрутити назад» умовну кінострічку розширення Всесвіту. В результаті ми дійдемо до моменту часу, коли вся речовина нашого світу була зосереджена в одній точці.

Нині достеменно відомо, що галактики, як і зорі, утворюють скупчення. Наша галактика і ще майже три десятки її сусідок належать до скупчення, яке називають Місцевою групою галактик. Серед них, окрім Молочного Шляху, є ще дві великі галактики: Туманність Андромеди й галактика в сузір’ї Трикутника. Всі інші члени — карликові галактики неправильної форми.

Рис. 28.3. Схема Місцевої групи галактик до якої належить Молочний Шлях.

За кількістю наявних галактик скупчення поділяють на багаті (вміщують сотні й тисячі членів) і бідні (вміщують десятки членів), а за формою — на регулярні, або правильні, що мають сферичну симетрію й велику концентрацію до центра, та ірегулярні, або неправильні, більш дифузні й розмиті. У центрі багатих скупчень зазвичай є масивна еліптична галактика.

Наприклад, найближче до нас багате неправильне скупчення лежить у напрямку сузір’я Діви (часто говорять «у сузір’ї Діви») на відстані майже 15 Мпк (49 млн св.р.). Воно вміщує майже 2500 галактик, а його центр перебуває приблизно біля гігантської еліптичної галактики М87.

Рис. 28.4. Скупчення галактик у сузір’ї Діви — найближче до Землі.

Типовим представником багатого правильного скупчення є скупчення в сузір’ї Волосся Вероніки. Воно лежить від нас на відстані майже 125 Мпк (567 млн св.р.) і налічує близько 40 000 галактик.

Водночас скупчення галактик об’єднані в галактичні надскупчення. Ще в другій половині 50-х років минулого століття було виявлено, що більша частина найяскравіших галактик, видимих з Землі, утворюють цілісну структуру, в центрі якої перебуває скупчення в сузір’ї Діви, а на її периферії перебуває наша Місцева група галактик. Цю структуру було названо Місцевим надскупченням галактик. Воно охоплює в космосі ділянку розмірами в кілька десятків мегапарсек, що в 10 разів перевищує розміри скупчення в сузір’ї Діви.

Рис. 28.5. Місцеве надскупчення галактик.

Дослідження розподілу скупчень і над скупчень галактик у великих об’ємах простору впродовж останніх 50 років дозволило космологам створити великомасштабну модель Всесвіту. Згідно з цією моделлю, Всесвіт має комірчасту структуру, тобто складається з велетенських порожнин (їх називають войдами), схожих на бджолині стільники, що дотикаються один до одного. Скупчення й надскупчення галактик, зібрані у волокнисті структури, «нитки», завдовжки в десятки мегапарсек, утворюють своєрідні «стіни», які охоплюють порожнини. Та насправді порожнини — не зовсім порожні. Тепер відомо, що там, де ми бачимо начебто пустий простір, присутня темна матерія, природа якої досі невідома.

Рис. 28.6. Комірчаста структура Всесвіту.

Типове завдання (практична робота)

Визначення червоного зміщення позагалактичного об’єкта (див. Додаток 1).

Навчальні завдання

• Що є об’єктом вивчення позагалактичної астрономії? Коли виник цей розділ астрономії?

• Які спостереження привели до розуміння того, що наш Всесвіт розширюється? Хто їх виконав і коли?

Висновки

Закон, відкритий Е. Габблом зі спостережень, відображає закономірність: що далі галактика від Землі, то з більшою швидкістю вона рухається. Галактики утворюють скупчення й надскупчення, які формують у Всесвіті волокнисті структури завдовжки в десятки мегапарсек. Згідно з великомасштабною моделлю, Всесвіт має комірчасту структуру, тобто складається з великих порожнин (войдів), схожих на бджолині стільники, що дотикаються один до одного.

Запитання для самоперевірки

1. Сформулюйте суть закону Габбла.

2. На підставі яких спостережних результатів було відкрито закон Габбла?

3. Поясніть, як оцінюють вік Всесвіту?

4. До складу якого скупчення галактик належить Молочний Шлях? Які ще галактики входять до цього скупчення?

5. Коротко опишіть великомасштабну структуру Всесвіту.

Додаткові та цитовані джерела інформації до § 28

• Розділ «Всесвіт» пункту «Науково-популярні статті» Українського астрономічного порталу. (http://www.astrosvit.in.ua/statti/vsesvit-v)

• Іван Крячко. Новий рекорд визначення відстані у Всесвіті.

(http://www.nashenebo.in.ua/index.php/nauka/novyi-rekord-vyznachennia-vidstani-u-vsesviti)

Додатки

Додаток 1

Червоне зміщення у спектрах галактик

Швидкості, з якими небесні об’єкти (зорі, галактики тощо) рухаються відносно Землі, визначають через спектроскопічні вимірювання. Цей спосіб ґрунтується на використанні ефекта Доплера (§ 4) й передбачає отримання спектра випромінювання рухомого об’єкта.

Як відомо, за відносного руху приймача (інакше — спостерігача) і джерела випромінювання у спектрі останнього змінюються довжини хвиль електромагнітного спектра, який реєструє спостерігач. Якщо приймач і джерело наближаються один до одного, то довжини випромінюваних хвиль зменшуються, зміщуючись у фіолетову ділянку спектра. Якщо приймач і джерело віддаляються один від одного, то довжини випромінюваних електромагнітних хвиль, навпаки, збільшуються, зміщуючись до червоної ділянки спектра. Ці явища називають відповідно фіолетовим і червоним зміщенням.

Зіставляючи лінії та смуги відомих хімічних елементів і сполук, що присутні в спектрах рухомих об’єктів, з відповідними лініями й смугами в лабораторних спектрах, тобто в спектрах нерухомих об’єктів, можна зробити висновок про величину зміщення, а отже, і про швидкість руху об’єкта у просторі.

За результатами вивчення § 28 Ви маєте:

знати й розуміти

суть закону Габбла; методи вимірювання відстаней до галактик.

уміти

розв’язувати задачі на визначення відстаней до галактик зі зміщення

 

спектральних ліній.

оцінювати

значення закону Габбла в астрономії.





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