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

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…

  • Все мы, однако, либералы...

    О Бертране Расселе слышали, надо полагать почти все. Написал он книгу "История западной философии". И в ней пришел к такому выводу:…

  • Как Бог выметает сор из своих изб...

    Под "избами" здесь понимаю дисковые галактики, в коих "сора" в форме газа и пыли до 5-10 % по массе, а остальное - звезды (в…

promo moralg march 5, 03:01 29
Buy for 20 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

    default userpic

    Your reply will be screened

    When you submit the form an invisible reCAPTCHA check will be performed.
    You must follow the Privacy Policy and Google Terms of use.
  • 9 comments