Морозов Александр Гавриилович (moralg) wrote,
Морозов Александр Гавриилович
moralg

Category:

Галактики, их начинка и их сообщества.

      Этот пост - конспект седьмого занятия по программе краткого курса астрофизики для средней школы. Он содержит описание классификации типов галактик и их звездно-газового состава, типов звездных скоплений, групп и скоплений галактик, а также сверхмассивных черных дыр и их проявлений в галактиках и звездных скоплениях. Вдобавок попытаемся ответить на вопрос - сталкиваются ли звезды в галактиках?


      1. Классификация типов галактик и их звездно-газового состава.
      Большую часть 19 века галактики воспринимались астрономами как туманности. И лишь к концу века стало ясно, что галактики - суть гигантские звездные системы. Массой от десятков и сотен миллионов до многих сотен миллиардов солнечных масс. В начале 20 века общепринятой стала геометрически-камертонная классификация типов галактик (Хаббл):



      В этой "камертонной" схеме удельный момент вращения (момент на единицу массы) растет от почти нуля в сферических галактиках до значительных величин в спиральных. В том смысле, что сферические галактики образовались из почти не вращающихся гигантских облаков газа, а поздние типы спиральных - из довольно быстро вращающихся. Об иррегулярных (неправильных) галактиках можно сказать лишь то, что они, как правило, маломассивны. Иррегулярными, в частности, являются ближайшие к нашей Галактике и видимые в южном небе Магеллановы облака.

      Наглядные примеры:
      а) Эллиптическая галактика М87:


      б) Спиральная галактика М101 (вид плашмя):


      в) Спиральная галактика с баром (перемычкой) NGC1300:


      г) Спиральная галактика NGC891 (вид с ребра):


      д) Иррегулярная (неправильная) галактика Малое Магелланово облако:


      Из чего состоят галактики?
      Эллиптические галактики состоят практически только из звезд. Газа в них практически не осталось - как правило, его менее одного процента по массе. Поэтому почти все звезды в таких галактиках стары.

      В спиральных галактиках газа заметно больше. Обычно не менее 2% по массе. В поздних типах - до 5-10% (в иррегулярных галактиках - до 30-40%). Но весь этот газ сосредоточен в дисках галактик. Тогда как в сфероидальных (эллиптических) подсистемах (гало) спиральных галактик газа нет и их население состоит из старых звезд. Газ в дисках галактик неоднороден. Обычно он сконденсирован в облака с примесью пыли. И эти облака концентрируются, как правило, в спиральных ветвях.

      Спиральные ветви - волны плотности газа в газовом диске, вращающиеся твердотельно (как граммофонная пластинка). Контраст плотности газа в спиральных ветвях и между ними обычно не менее, чем 2-3-кратен. Но сами облака вращаются вогруг центра галактики в соответствии с законом всемирного тяготения. И кривая вращения газовой посистемы дисковой галактики выглядит обычно так (красная линия):


      В поджатых в спиральных волнах облаках газа образуются молодые звезды. Редко в одиночку. Гораздо чаще скоплениями во многие десятки и сотни звезд. Такие скопления звезд называют рассеянными. Ибо их "скопленность" временна - через десятки и сотни миллионов лет они рассасываются. Примером такого скопления в нашей Галактике являются Плеяды (по старорусски - Стожары, по японски - Субару):



      В сфероидальном гало обычно есть от нескольких десятков до сотен шаровых скоплений старых звезд. Массой в десятки и сотни тысяч масс Солнца. По своей структуре похожие на микрокопии сферических галактик:



      Размерные параметры на примере нашей Галактики:
      Масса нашей Галактики (Млечного пути) ~ 900-1000 млрд. масс Солнца, диаметр диска ~ 100 тыс. св. лет, толшина звездного диска ~ 1000 св. лет, толщина газового диска ~ 100 св. лет, Солнце находится от центра Галактики на расстоянии ~ 25 тыс. св. лет и вращается вокруг него со скоростью ~ 250 км/сек.

      2. Группы и скопления галактик.
      Галактики в пространстве обычно кучкуются. Группами в десятки и сотни крупных и мелких галактик, скоплениями в тысячи членов, сверхскоплениями во многие десятки и сотни тысяч галактик. Часто группы галактик входят состав скоплений и сверхскоплений.

      Так, наша Галактика входит в местную группу из двух гигантских спиралей (нашей и туманности Андромеды), одной средней (спираль в Треугольнике) и порядка полусотни мелких и иррегулярных галактик. Размер местной группы около 4 млн. св. лет. Местная группа входит в состав "Местного листа" радиусом ~ 23 млн. св. лет и толщиной около 5 млн. св. лет. Который в свою очередь входит в состав "сверхскопления Девы". Для примера приведу пространственную схему Местного листа:


<= Это - вид на Местный лист галактик сверху.


<= Это - вид на Местный лист галактик сбоку.

      Видно, что местный лист в геометрическом плане представляет из себя диск. Это означает, что газовое облако, из которого он образовался, имело приличный момент импульса.

В свою очередь скопления и сверхскопления галактик образуют, похоже,  ячеистую структуру Вселенной. В том смысле, что группы, скопления и сверхскопления входят обычно в состав стенок ячеек толщиной ~ 10-20 млн. св. лет и размером ячеек ~ 300-500 млн. св. лет (на картинке - модель).



      В то время, как внутри ячеек галактик чрезвычайно мало. Как и почему возникла такая структура Вселенной - пока не ясно.

      3. Центральные черные дыры и их проявление в галактиках и звездных скоплениях.
      В последние 2-3 десятка лет стало ясно, что помимо черных дыр звездных масс во многих галактиках есть центральные черные дыры массой от нескольких миллионов до нескольких миллиардов солнечных масс. В нашей Галактике центральная ЧД имеет массу порядка четырех миллионов солнечных. Такие ЧД называют сверхмассивными. Пример галактики с ЧД максимально известной массы (~ 3 млрд. солнечных) - 3С 348:




      Сама галактика 3С 348 - эллиптическая и видна в центре снимка. Размер ее вдвое больше Млечного пути (~ 200 тыс. св. лет) и масса ее почти на три порядка больше, чем у нашей Галактики. А гигантские розоватые струи с утолщениями на концах - джеты, извергаемые сверхмассивной ЧД в центре 3С 348 из вещества, крутящегося вокруг ЧД аккреционного диска с субсветовой скоростью. Снимок джетов сделан в радиодиапазоне. Длина всей "гантели" этих джетов ~ 2 млн. св. лет.

      До недавнего времени черные дыры промежуточных масс (от сотен до многосоттысячных масс Солнца) известны не были. Но в последние годы такие ЧД были обнаружены в карликовых галактиках и даже шаровых звездных скоплениях. Более того, непосредственно в нашей Галактике помимо центральной ЧД с массой в 4 млн. солнечных обнаружена удаленная от нее всего на ~ 200 св. лет ЧД массой ~ 200 тысяч масс Солнца. Есть намеки на наличие приближенных к центральным вторых ЧД в ряде галактик.

      Последнее обстоятельство ставит новый вопрос. Поскольку за последние два года зафиксировано уже пять слияний ЧД звездных масс, то какой может быть частота слияния сверхмассивных ЧД в центрах галактик? Первая известная мне оценка говорит о примерно одном событии такого рода примерно раз в 10 лет. Но это не означает, что слияние таких ЧД на нынешних гравитационных телескопах мы сможем зафиксировать (пояснения при наличии времени).

      Очевиден также вопрос о том, что образовывалось в первую очередь - сами галактики (астрокурицы) или их центральные сверхмассивные черные дыры (астрояйца)? Однозначного ответа на этот вопрос пока нет. Однако, уже появились данные наблюдений о наличии сверхмассивных черных дыр в квазарах-протогалактиках в момент, отстоящий от "рождения Вселенной" на ~ 700 млн. лет. При нынешнем возрасте Вселенной ~ 13,8 млрд. лет.

      4. Сталкиваются ли звезды в галактиках?
      Назовем расстояние, пробегаемое частицей (молекулой, звездой, галактикой) от одного столкновения с себе подобной до другого длиной свободного пробега и обозначим его буквой λ (лямбда). Приближенная оценка этой величины такова:

                                                          λ ~ 1 / (n * σ),           (1)

где n - число рассматриваемых частиц в единице объема, σ - площадь поперечного сечения частицы, * - знак умножения.

      Для примера рассмотрим окружающий нас воздух. В нем n ~ 3 * 10↑19 в куб. см., где знак ↑ означает возведения в степень. А поскольку размер молекулы воздуха примерно равен l ~ 2 * 10↑(-8) см, то σ ~ l * l ~ 4 * 10↑(-16) кв.см. Подставляя эти величины в приведенную выше формулу, получаем: λ ~ 10↑(-4) см. То есть, длина свободного пробега молекул в окружающем нас воздухе порядка 1/10000 сантиметра.

      В межзвездном газе дисков галактик средняя плотность газа порядка одной молекулы на кубический сантиметр. Оценивая подобным образом длину свободного пробега, обнаруживаем, что она в газовых подсистемах галактик как минимум на четыре порядка меньше толщины газового диска. То есть, газовые подсистемы галактик - столновительные.

      А звезды? Ближайшая к нашему Солнцу звезда находится примерно в 4 световых годах от нас. Это означает, что в нашей части Галактики плотность звезд порядка 0,02 штуки на кубический световой год. Понятно, что ближе к центру Галактики звезд погуще. Поэтому сочтем, что для звезд n ~ 1 штука / куб.св.год. Размер нашего Солнца сочтем для простоты типичным - его диаметр немногим больше одного миллиона км. Или ~ 10↑(-7) св. года. И поскольку сечение пропорционально квадрату диаметра, то λs ~10↑14 св.лет.

      Но размер Вселенной ~ 10↑10 св. лет. То есть, средняя длина свободного пробега звезд в галактиках не менее чем четыре порядка больше размера Вселенной! Это означает, что звездные подсистемы галактик можно с полным основанием считать практически бесстолкновительными.



Tags: Астрофизика-Л5
Subscribe

Recent Posts from This Journal

  • Чем могу быть полезен?

    Еще Козьма Прутков говаривал: Специалист подобен флюсу, полнота его одностороння. К середине 1980-х я тоже стал подобен флюсу, что было…

  • Уроки физики...

    На 77-м году жизни оказался вновь востребованным. В качестве профессора на 0,5 ставки на той кафедре, которую сам же и создавал в 1988-м в ВолГУ.…

  • Маленькие рассказы о космосе (18).

    За 10 лет в ЖЖ написал немало постов по космической тематике. Расфасовав их метками по разным подтемам. Но будучи сделанными в разное время по…

promo moralg march 5, 2018 03:01 43
Buy for 30 tokens
Многие из нас вздрагивают, когда дорогу нам перебегает черная кошка. Но неприятных последствий обычно не возникает и мы быстро забываем о ней. Но два дня назад на северо-восток США обрушилась очередная буря и совершила совсем не очередное действо - сломала дерево, которое 227 лет назад посадил…
  • Post a new comment

    Error

    Anonymous comments are disabled in this journal

    default userpic

    Your IP address will be recorded 

  • 9 comments