Новая сущность. Часть 9. Место Солнца в Галактике

Часть 8. http://artefact-2007.blogspot.ru/2012/11/8.html

   «Солнечная система является частью Млечного Пути - спиральной галактики, имеющей диаметр около 30 тысяч парсек (или 100 тысяч световых лет) и состоящей из приблизительно 200 млрд звёзд. Солнечная система расположена вблизи плоскости симметрии галактического диска (на 20-25 парсек выше, то есть севернее него), на расстоянии около 8 тысяч парсек (27 тысяч световых лет) от галактического центра (практически на равном расстоянии от центра Галактики и её края), на окраине рукава Ориона - одного из галактических рукавов Млечного Пути. Угол между плоскостью эклиптики и плоскостью симметрии галактического диска равен 60º.

Рис. «Структура Млечного Пути». Расположение Солнечной системы обозначено большой жёлтой точкой

    Солнце вращается вокруг галактического центра по почти круговой орбите со скоростью около 254 км/с (уточнено в 2009 г.) и совершает полный оборот за 200 млн лет. Этот промежуток времени называется галактическим годом». («Солнечная система». Материал из Википедии - свободной энциклопедии).

    Млечный путь и наше место в нем

    «К какому хаббловскому типу относится наша Галактика? То, что она, скорее всего, спиральная, подозревалось давно, но для доказательства долго не хватало наблюдательных фактов. Сто лет назад было известно следующее: мы живем в гигантской звездной системе, насчитывающей сотни миллиардов звезд, эта система, грубо говоря, имеет вид сплюснутого диска поперечником около 30 кпк (100 тыс. световых лет). Центр системы находится в созвездии Стрельца.

    Солнце располагается довольно далеко от центра системы, зато почти точно в плоскости галактического экватора. Последнее обстоятельство не должно нас радовать, поскольку именно в экваториальной плоскости Галактики находятся плотные пылевые облака. Для внегалактических объектов давно известна «зона избегания», простирающаяся градусов на 20 в обе стороны от галактического экватора, - другие галактики в этой зоне практически не наблюдаются.

Рис. «Место Солнца в Галактике» http://artefact-2007.livejournal.com/30409.html

    Не потому, что их там нет, а потому, что увидеть их мешает пыль. Поглощение света в пылевом слое Галактики чудовищно, поэтому «дальнозоркость» самых крупных оптических телескопов вблизи галактического экватора невелика. Поперек пылевого слоя или под заметным углом к нему - иное дело.

    Здесь свет хотя и ослабляется пылью, но далеко не так сильно.

    В итоге мы не можем видеть (в оптическом диапазоне) центр Галактики. Тем более мы не можем рассмотреть спиральные рукава Галактики - по той же причине, по которой нельзя увидеть звуковую дорожку на старой виниловой грампластинке, если держать ее к себе строго ребром. В финале знаменитого романа И.А. Ефремова «Туманность Андромеды» земляне получают от разумных обитателей Большого Магелланова Облака замечательный подарок - снимок нашей Галактики со стороны упомянутого БМО. И хотя наша Галактика снята «из неудобного поворота», ценность такого подарка чрезвычайно велика.

    Но пока - увы - нам ничего не известно ни о существовании внегалактических цивилизаций, ни об их готовности вступить с нами в контакт. Поскольку множественность цивилизаций во Вселенной вообще не доказана, разумнее не ждать подарков от добрых и бескорыстных «андромедян», а искать ответы самим. Они нашлись главным образом с помощью инфракрасной и радиоастрономии.

    Нельзя сказать, что пылевая материя совсем уж прозрачна для электромагнитных волн инфракрасного диапазона, однако их поглощение в ИК-диапазоне значительно меньше, чем в оптическом. Используя инфракрасные телескопы, мы можем видеть галактический диск практически насквозь, изучать ядро Галактики, обнаруживать внегалактические объекты, скрытые от нас толщей пылевого диска, и т. д. Однако это мало приближает нас к раскрытию спиральной структуры Млечного Пути.

    Наличие спиральных рукавов удобнее фиксировать в радиодиапазоне. Известно, что в спиральных рукавах концентрируются не только группы молодых звезд, но и материя, идущая на их создание, - облака газа. Для простоты предположим, что газ состоит исключительно из водорода, имеющего, как известно, линию поглощения на волне 21 см.

    Если газ движется относительно нас, то в соответствии с эффектом Доплера сдвинется и линия поглощения. Радиальная скорость каждого рукава относительно нас разная, следовательно, при наблюдении удаленного радиоисточника (например, пульсара, находящегося где-нибудь на краю Галактики) мы получим в его спектре несколько сдвинутых относительно друг друга линий поглощения водорода, и количество их будет равно количеству спиральных рукавов между радиоисточником и нами.

    Реальная картина, конечно, много сложнее, но принцип ясен. Мы можем подсчитать количество спиральных рукавов в направлении на каждый удаленный радиоисточник, лежащий вблизи галактической плоскости. Точнее, мы можем лишь определить, сколько раз пришедшее к нам радиоизлучение пересекало рукава, но не можем сказать, сколько всего спиральных рукавов в Галактике - ведь какой-нибудь сильно закрученный рукав луч может пересечь и дважды.

    У большинства спиральных галактик два рукава. У Туманности Треугольника (тип Sc) - три главных и еще с десяток обрывочных. У галактики М63, известной также под именем «Подсолнух», - десятки.

    Но сколько рукавов у Млечного Пути? Например, если спектр удаленного источника имеет четыре провала вблизи длины волны 21 см, это может с равным успехом означать, что Галактика имеет либо 4 рукава, либо 2, но более длинных и более сильно закрученных. А может быть, более четырех, но менее закрученных?

    Или всего-навсего один, но обернувшийся вокруг ядра 4 раза?

    Эта проблема оказалась, мягко говоря, не из легких. Ключ к решению дали работы Вальтера Бааде на 100-дюймовом рефлекторе в 1945-1949 годах. Бааде установил, что в Туманности Андромеды в спиральных рукавах концентрируются прежде всего горячие звезды высокой светимости и эмиссионные туманности, а также пыль и сверхоблака неионизованного газа.

    Теперь требовалось проделать огромную работу по определению расстояний до этих объектов в Млечном Пути - работа чрезвычайно трудная, скрупулезная и чреватая ошибками. Вдобавок зона, скрытая ядром Галактики, оставалась (и по-прежнему остается) недоступной - не зря она называется «Zona Galactica Incognita».

    Тем не менее к настоящему времени астрономы рисуют спиральный узор Млечного Пути с большой степенью уверенности. Оказалось, что наша Галактика относится к типу SBb, имеет бар длиной 7-8 кпк, от каждого конца которого отходят по два спиральных рукава (всего, таким образом, их четыре) с углом закручивания 10-12 градусов. На нашу Галактику в целом похожа галактика М109.

    Не исключено наличие кольца с диаметром, равным поперечнику бара. В обеих галактиках имеются «местные рукава» - ответвления от основных спиральных рукавов. В одном из таких рукавов-ответвлений на расстоянии около 8 кпк от центра Галактики и находится Солнце.

    Итак, Млечный Путь - большая, но довольно типичная спиральная галактика. Как таковая она должна иметь два типа звездного населения - сферическую и плоскую подсистемы (прежде их называли звездным населением I и II типов соответственно). Выше мы уже указывали на то, что балджи спиральных галактик напоминают сплюснутые эллиптические галактики. Балджи состоят из звезд, большей частью старых, концентрирующихся к центру, что тоже роднит их с Е-галактиками. Балджи окружены обширными галактическими гало, являющимися их продолжением и также состоящими из звезд.

    Гало Млечного Пути далеко простирается за его пределы - найдена, например, принадлежащая гало звезда, расстояние до которой оценивается в 400 тыс. св. лет. Форма гало - несильно сплюснутый сфероид. Концентрация звезд в нем ничтожна по сравнению с балджем и падает по мере приближения к краям гало. Можно представить себе, что мы увидели бы, будь Солнце одной из звезд гало!

    Вряд ли наше ночное небо украшала бы хоть одна звезда, зато зрелище Галактики, раскинувшейся по всему небу, бесспорно, было бы самое что ни на есть феерическое.

    Хотя, конечно, мы даже теоретически не могли бы находиться в гало. Ведь составляющие его звезды - субкарлики, родившиеся из бедной тяжелыми элементами газовой среды и заведомо не имеющие планет земного типа.

    К сферической подсистеме относятся также некоторые переменные звезды, а главное, шаровые скопления, не обнаруживающие заметной концентрации к галактической плоскости, зато весьма сильно концентрирующиеся к центру. Млечный Путь окружен шаровыми скоплениями, словно роем мошкары. Всего в Галактике их насчитывается около 150, но, несомненно, открыты еще не все. Типичное шаровое скопление - это круглое или слегка сплюснутое сфероидальное образование, состоящее из старых звезд (субкарликов) и отличающееся от эллиптических галактик только размерами (от 11 до 590 пк) и количеством звезд.

    В типичном шаровом скоплении находится 100 тыс. звезд, иногда несколько миллионов, тогда как в «нормальной» Е-галактике их по меньшей мере миллиарды.

Шаровое скопление 47 Тукана

     Шаровые скопления сыграли важную роль в открытии вращения Галактики. В 1925 году была установлена странная асимметрия в направлении движения шаровых скоплений: все они движутся в одну сторону, и скорости их при этом очень велики, по крайней мере в сравнении с собственными скоростями близких к Солнцу звезд, - порядка 200 км/с. Небольшая доля звезд также обладает высокими скоростями и показывает ту же асимметрию движения. Вскоре шведский астроном Б. Линдблад объяснил это тем, что две подсистемы звездного населения Галактики - сферическая и плоская - вращаются по-разному.

    Плоская - гораздо быстрее. Солнце, входящее в плоскую подсистему, движется по своей галактической орбите со скоростью несколько более 200 км/с. Таким образом, не шаровые скопления движутся «согласованно» и асимметрично, а движется Солнце!

 

Спиральное движение Солнечной системы в Галактике

    И точно так же быстро движутся звезды галактического диска, обращаясь вокруг центра Галактики. Полный оборот Солнце делает примерно за 200 млн лет.

    Вообще ситуация с вращением спиральных галактик некоторое время оставалась непонятной: а в какую сторону они, собственно говоря, вращаются? Закручиваются при вращении спиральные ветви или, наоборот, раскручиваются? Бытовые соображения (например, наблюдение за водой, вытекающей в сливное отверстие ванны) говорили о том, что ветки, скорее всего, закручиваются, однако полной ясности все же не было. На первый взгляд, вопрос решался тривиально: надо взять спираль, повернутую к нам под острым углом, и получить спектр одного из его краев - направление доплеровского сдвига тотчас укажет направление вращения.

    Однако не все так просто - мы ведь не знаем, «верхом» или «низом» к нам повернута галактика. Для решения этого вопроса пришлось искать такую галактику, У которой, во-первых, ясно различается спиральный узор, а во-вторых, не менее ясно видна экваториальная полоса пылевой материи. Только у такой галактики понятно, где «верх», а где «низ».

    Когда искомая галактика была найдена, вопрос решился: галактики вращаются так, что их рукава закручиваются, а не раскручиваются. Здравый смысл, почерпнутый близ сливного отверстия ванны, победил.

    Однако позвольте: ведь за время существования Галактики (не менее 12 млрд лет, по любым современным оценкам) спиральные ветви должны были закрутиться вокруг центра Галактики несколько десятков раз! А этого не наблюдается ни в других галактиках, ни в нашей. В 1964 году Ц. Лин и Ф. Шу из США, развивая идеи Б. Линдблада, выступили с теорией, согласно которой спиральные рукава представляют собой не некие материальные образования, а волны плотности вещества, выделяющиеся на ровном фоне галактики прежде всего потому, что в них идет активное звездообразование, сопровождающееся рождением звезд высокой светимости.

    Вращение спирального рукава не имеет никакого отношения к движению звезд по галактическим орбитам. На небольших расстояниях от ядра орбитальные скорости звезд превышают скорость рукава, и звезды втекают в него с внутренней стороны, а покидают с внешней. На больших расстояниях все наоборот: рукав как бы набегает на звезды, временно включает их в свой состав, а затем обгоняет их.

    Что до ярких ОВ-звезд, определяющих рисунок рукава, то они, родившись в рукаве, в нем и заканчивают свою короткую жизнь, попросту не успевая покинуть рукав.

    О причине возникновения спиральных рукавов нельзя сказать ничего, кроме того, что рукава (а при некоторых начальных условиях и бары) возникают при численном моделировании рождения галактики всегда, если заданы достаточно большие масса и момент вращения. Попробуйте сами ответить на вопрос о причине возникновения медленно вращающихся спиральных волн вокруг уже упоминавшегося сливного отверстия в ванне. Вряд ли в голову придет что-либо, кроме глубокомысленного: «Турбуленция...» Само по себе это верно, но процессами, подобными турбуленции, ведают настолько специальные разделы математики, что описать в удобопонятных терминах, почему она возникает, мы не беремся. Отметим только, что турбулентность - не всегда хаос.

    Сплошь и рядом она способна создавать структуры вроде конвективных ячеек (помните гранулы на поверхности Солнца?) или спиральных рукавов галактик.

    Лишь в галактиках типа Sa (SBa) мы не видим фрагментации рукавов. В галактиках Sb (SBb) и Sc (SBc) рукава фрагментированы. Они фрагментированы и в нашей Галактике.

    Клочковатость Млечного Пути, представляющего собой по сути ближайший к нам рукав, бросается в глаза и большей частью объясняется распределением вблизи Солнца облаков межзвездной пыли. Большей частью, но не полностью! Известны реальные звездные облака, молодые звезды в которых имеют генетическую связь друг с другом. Например, на расстоянии в 1,5 кпк от Солнца в направлении созвездия Стрельца находится компактное звездное облако размером около 50 пк.

    Известны и значительно более крупные группировки молодых звезд, иногда достигающие размера в 1 кпк и содержащие миллионы звезд. Такие группировки - их характерный диаметр около 600 пк - называются звездными комплексами.

    Звездные комплексы буквально нанизаны на спиральные рукава, как бусины на нить. Нет сомнения в том, что своим происхождением они обязаны втеканием в спиральный рукав большого количества газа и последовавшими за тем волнами звездообразования. Звездный комплекс содержит в себе большое количество рассеянных звездных скоплений, родившихся в результате гравитационного сжатия небольших по сравнению с размерами комплекса газово-пылевых облаков и насчитывающих от десятка до тысячи звезд, несколько звездных ассоциаций большего размера, а также один или несколько звездных агрегатов, под которыми понимаются большие полицентрические ассоциации вроде той, что наблюдается в Орионе. Разумеется, в том же объеме пространства находится множество более старых звезд, не обязанных своим рождением данному комплексу, а просто путешествующих сквозь него.

    Одна из таких звезд нам хорошо известна - это Солнце.

    Еще в 1879 году американский астроном Бенджамин Гулд обратил внимание на то, что яркие звезды на небе распределены не равномерно, а концентрируются в некоторую полосу или пояс. Не было бы ничего удивительного в том, если бы его плоскость совпадала с плоскостью Млечного Пути, но дело в том, что между ними угол в 18 градусов. Пояс Гулда представляет собой дискообразную структуру (точнее, грубый сплюснутый сфероид), центр которого лежит примерно в 150 пк от нас, диаметр оценивается в 750 пк, а возраст - в 30 млн лет.

    Это типичный звездный комплекс, один из многих, и в него входит 60% ярких звезд нашего неба. Агрегат в Орионе с большим количеством молодых звезд и знаменитой туманностью тоже в него входит. Солнце с его орбитальной скоростью, не сильно отличающейся от скорости вращения спиральных рукавов, еще долго останется в пределах пояса Гулда.

    На вопрос о том, вокруг чего происходит вращение всех подсистем Галактики, можно ответить так же тупо, как и на вопрос о происхождении рукавов: вокруг ядра. Но что такое галактическое ядро вообще и ядро нашей Галактики в частности?

    Долгое время было ясно лишь то, что плотность звезд в ядре на порядки больше, чем в том относительном захолустье, где находится Солнце. Если вблизи Солнца звездная плотность составляет примерно 0,1 звезды на кубический парсек, то в ядре - несколько тысяч звезд на кубический парсек. Внутренняя область ядра еще на два-три порядка плотнее.

    В ядре изредка могут происходить даже прямые столкновения звезд. А представьте себе тамошнее ночное небо! Понятие «ночь» будет весьма относительным за отсутствием темноты - уж слишком много ярчайших звезд усеют небо невиданной россыпью, и рисунки созвездий будут меняться быстро, на протяжении жизни одного поколения гипотетических аборигенов...

    В конце 50-х годов прошлого века в направлении галактического центра был обнаружен радиоисточник, получивший название Стрелец А. Были все основания полагать, что он находится в самом ядре. Положение источника было определено с точностью до десятой доли градуса, и Вальтер Бааде начал безуспешные попытки обнаружения ядра в оптическом диапазоне - сначала на 48-дюймовой камере Шмидта с длительными экспозициями, затем на 200-дюймовом Паломарском рефлекторе. Отчаявшись, Бааде утверждал, что поглощение света перед ядром составляет 9 или 10 звездных величин.

«Детальная анатомия объекта Стрелец А показывает, что он состоит из трех вложенных радиоисточников: нетеплового источника радиоизлучения Стрелец А Восточный, теплового источника радиоизлучения Стрелец А Западный и самого загадочного центрального объекта Стрелец А* (Sgr A*), радиоизлучение которого носит нетепловую (синхротронную) природу». («В сердце Великого Кольца»)

    Реальность оказалась еще хуже: позднейшие исследования выявили на месте радиоисточника Стрелец А точечный инфракрасный источник, и оказалось, что поглощение света в оптическом диапазоне составляет 27 звездных величин! Надо заметить, что в настоящее время астрономы могут зафиксировать точечный источник оптического излучения примерно 30-й величины. С протяженными источниками дело обстоит хуже. Но даже ядро было бы точечным источником с яркостью -2"', галактическая пыль все равно сделала бы ядро невидимым в оптическом диапазоне.

    Детальные исследования ядра, в частности слежение за движением отдельных звезд, проводятся при помощи инфракрасных телескопов.

    Строго говоря, радиоисточник Стрелец А состоит из двух компонентов - западного и восточного. Западный как раз и является сердцевиной Галактики, а восточный - просто молодой остаток Сверхновой. Как ни удивительно, в радиусе 100 пк от центра Галактики обнаружено множество признаков продолжающегося звездообразования. Хотя, если подумать, это не должно нас удивлять. В Галактике еще достаточно газа (~10% вещества, которое может быть обнаружено современными методами).

    Столкновение газовых облаков между собой приводит к потере ими момента вращения, из-за чего газ (или по крайней мере его часть) стекает к галактическому ядру. То же самое, причем еще более эффективно, происходит при попадании в Галактику газа извне. Если разобраться с балансом газовой материи в Галактики, то окажется, что на звездообразование ежегодно тратится масса газа, примерно равная солнечной массе и в то же время Галактика ежегодно «насасывает» из межгалактической среды, по разным оценкам, от 0,2 до і массы Солнца.

    В куда больших масштабах присвоение Галактикой чужого газа происходит при прохождении сквозь нее другой галактики и при актах галактического каннибализма, о чем пойдет речь ниже. Словом, наличие в ядре газа, пригодного для звездообразования, вполне объяснимо.

    То, что в центре ядра находится сверхмассивная черная дыра, подозревалось давно, но лишь к 2003 году были получены убедительные доказательства. Удалось проследить орбиты восьми звезд высокой светимости, расположенных близ галактического центра.   Их орбитальные скорости столь велики, что нет нужды завещать продолжение исследования их движений следующим поколениям астрономов.

    У одной из этих звезд период обращения составляет всего 15 лет. В 1999 году другая звезда промчалась со скоростью 9 тыс. км/с на расстоянии всего лишь 60 а.е. от центрального объекта Галактики. Орбиты всех восьми прослеженных звезд - эллиптические, параметры их найдены, а значит, можно вычислить массу центрального объекта по третьему закону Кеплера. Она составляет около 3 млн масс Солнца.

    Не чем иным, кроме как черной дырой, такой объект являться не может.

    Черная дыра в центре нашей Галактики - довольно скромное по массе образование для подобных объектов и очень спокойное по сравнению с активными ядрами некоторых галактик. Поглощаемая черной дырой материя «кричит от ужаса», преобразуя в излучение до 15% своей массы. Разумеется, электромагнитный «вопль», состоящий в том числе из квантов жесткого излучения, тем сильнее, чем больше вещества падает в черную дыру.

    Нет сомнений, что в прошлом, когда в центре молодой еще Галактики было гораздо больше диффузной материи, ее «центральный монстр» вел себя гораздо активнее.

    Но вернемся к галактической периферии. В последние годы публике стали широко известны понятия «темная энергия» и «темная материя». Эта материя темная не в том смысле, что не пропускает излучения, а в том, что «дело ясное, что дело темное». Любое излучение она как раз пропускает беспрепятственно, никак не взаимодействуя ни с ним, ни с веществом, если не считать единственного взаимодействия - гравитационного.

    Имеется ли темная материя в нашей Галактике?

    Да, имеется, причем ее масса по меньшей мере в разы превышает массу видимого вещества. С некоторых пор астрономы стали замечать, что с вращением периферийных частей спиральных галактик творится что-то несообразное. Близ центра с вращением как раз все в порядке: балдж нашей Галактики вращается как твердое тело до расстояния в 1 кпк от центра (если не считать самых внутренних областей, где сильно влияние «центрального монстра»), то есть скорость орбитального движения звезд линейно возрастает по мере удаления от центра. Далее линия скорости вращения на графике испытывает перегиб и по идее должна уменьшаться в соответствии с кеплеровским законом по мере приближения к краю галактики.

    Оно и понятно: если некий объект, допустим звезда или облако молекулярного водорода, находится близ края галактики, то гравитационные силы должны действовать на этот объект преимущественно в одном направлении - к галактическому центру, а притяжением со стороны более отдаленной периферии можно уже пренебречь.

    Однако реальность в очередной раз преподнесла астрономам сюрприз, и, пожалуй, не из приятных. Строгая и красивая формула для орбитальных скоростей галактических объектов, выведенная замечательным голландским астрономом Я. Оортом, вдруг «захромала» на больших расстояниях от центра. Оказалось, что периферийные области многих спиральных галактик, в том числе и нашей, вращаются с гораздо большей скоростью, чем предписывает им формула Оорта. Речь, конечно, идет не о скорости вращения спирального узора, а о подлинных орбитальных скоростях звезд, газовых облаков и так далее. Ошибка исключалась: ведь определить лучевую скорость той или иной части галактики, развернутой к нам ребром, проще простого по доплеровскому сдвигу.

    Для Млечного Пути это сделать сложнее, но тоже не ахти какая проблема.

    Единственное разумное объяснение состояло в следующем: галактики - по крайней мере, спиральные - значительно массивнее и протяженнее, чем было принято считать. Наблюдаемая часть галактик - только «верхушка айсберга». Реальные размеры галактик в разы превышают их видимые размеры, и обширная, никак себя не проявляющая, кроме гравитации, темная материя окружает видимое вещество, как мякоть сливы окружает косточку.

    Физическая сущность темного вещества все еще остается неясной, хотя недостатка в гипотезах не ощущается. Что же, Вселенная в очередной раз подбросила нам загадку из числа тех, что заставляют пересмотреть прежние представления о Мироздании. Не в первый и явно не в последний раз». («Млечный путь и наше место в нем»).

    «Новая сущность». Часть 10. «Темная материя в шаровых скоплениях». http://artefact-2007.blogspot.ru/2012/11/10.html