Цель: формирование понятийного аппарата, необходимого для усвоения информации о галактиках как одном из основных типов космических систем.
Задачи: формирование астрономических понятий:
- о галактиках как одной из основных типов
космических систем:
- классификации галактик по морфологическим признакам;
- основных классах галактик, их структуре, составе и физических характеристиках;
- о космическом явлении активности ядер галактик, квазарах и квазагах;
- о межгалактической среде;
- о межгалактических расстояниях;
- о системах галактик: группах, скоплениях и Сверхскоплениях галактик.
Учащиеся должны знать:
- основные признаки понятия "галактика" как
отдельного типа космических систем
классификацию галактик на основе их морфологических признаков; - об основных классах галактик, системах галактик;
- о межгалактических расстояниях.
Галактики
В 1924 г. Эдвин Хаббл установил, что
туманность Андромеды образована огромным числом
звезд, сливающихся в сплошное туманное пятно
из-за огромной удаленности. Большинство других
известных туманностей оказались такими же
удаленными гигантскими системами, состоящими из
миллионов и миллиардов звезд. Гигантские
гравитационно-связанные системы звезд и
межзвездного вещества, расположенные вне нашей
Галактики, стали называть галактиками.
Современные мощные телескопы сделали доступной
регистрацию сотен миллиардов галактик.
Фотоснимки показали, что галактики различаются
по внешнему виду и структуре. Хаббл предложил
классифицировать галактики по их форме. Позднее
его классификация стала основой современной
классификационной схемы. Согласно современной
классификации, различают галактики следующих
основных типов: эллиптические (Е), спиральные (S),
неправильные (Ir) и линзовидные (SO).
Эллиптические галактики в проекции на небесную сферу выглядят как круги или эллипсы. Число звезд в них плавно убывает от центра к краю. Звезды вращаются в такой системе в разных плоскостях. Сами эллиптические галактики вращаются очень медленно. Они содержат только желтые и красные звезды, практически не имеют газа, пыли и молодых звезд высокой светимости. Физическим характеристикам этих галактик свойствен довольно широкий диапазон: диаметры – от 5 до 50 кпк, массы – от 106 до 1013 масс Солнца, светимости от 106 до 1012 светимостей Солнца. Около 25% изученных галактик принадлежат к галактикам эллиптического типа.
M 87–
гигантская эллиптическая
галактика, крупнейшая в скоплении галактик в Деве с
массой 2000-3000 млрд солнечных масс, и одна из
крупнейших известных галактик. Является мощным
источником радио- и гамма-излучения.
Из ядра галактики вылетают струи вещества,
движущегося с релятивистской скоростью.
Первая из них была открыта в 1918 и имеет
длину более 5000 св. лет. Предполагается, что в
центре галактики находится сверхмассивная
чёрная дыра с массой порядка 6,6 миллиарда
солнечных масс.
Спиральные галактики – это сильно сплюснутые системы с центральным уплотнением (в котором находится ядро галактики) и с заметной спиральной структурой.
Размеры этих галактик достигают 40 кпк, а
светимости – 1011 светимостей Солнца.
В окружающем уплотнение диске имеются две или
более клочковатые спиральные ветви.
Спиральные рукава представляют собой
области активного звездообразования и состоят
по большей части из молодых горячих звёзд; именно
поэтому рукава хорошо выделяются в видимой части
спектра. Абсолютное большинство наблюдаемых
спиральных галактик вращается в сторону
раскручивания спиральных ветвей.
Примерно у половины спиральных галактик в центральной части имеется почти прямая звездная перемычка – бар, от которой начинают закручиваться спиральные рукава. Такие галактики называются спиральными с перемычкой.
В спиральных ветвях галактик сосредоточены самые яркие и молодые звезды, яркие газопылевые туманности, молодые звездные скопления и звездные комплексы. Поэтому спиральный узор отчетливо виден даже у далеких галактик, хотя на долю спиральных рукавов приходится всего несколько процентов массы всей галактики. Наша Галактика является спиральной. Ближайшая звездная система, похожая по структуре и типу на нашу Галактику, – это туманность Андромеды. Свет от этой галактики доходит до нас примерно за 2 млн. лет.
Галактика Вертушка – |
Туманность Андромеды) – |
Линзообразная галактика – тип галактик, промежуточный между эллиптическими и спиральными в классификации Хаббла. Линзообразные галактики – это дисковые галактики (как и, например, спиральные), которые потратили или потеряли свою межзвёздную материю (как эллиптические) и поэтому частота формирования звёзд в них понижена. Всё же, в своих дисках они могут сохранять значительные запасы пыли. В результате, они состоят в основном из старых звёзд. В тех случаях, когда галактика обращена плашмя в сторону наблюдателя, часто бывает трудно чётко различить линзообразные и эллиптические галактики из-за невыразительности спиральных рукавов линзообразной галактики.
Галактика
Веретено – галактика в созвездии Дракон.
Галактика открыта в 1781 году французским
астрономом Пьером Мешеном. В 1788 году независимо
открыта английским астрономом Уильямом Гершелем.
Галактика наблюдается практически с ребра, что
позволяет видеть тёмные области космической
пыли, находящиеся в галактической плоскости.
Галактика Веретено находится на расстоянии
примерно в 44 млн световых лет. Свету требуется
около 60 тысяч лет, чтобы пересечь всю галактику.
К неправильным галактикам
относят маломассивные галактики неправильной
структуры. У них не наблюдается четко
выраженного ядра и вращательной симметрии.
Видимая яркость таких галактик создается
молодыми звездами высокой светимости и
областями ионизированного водорода.
Массы неправильных галактик составляют от 108 до
1011 масс Солнца, размеры этих галактик достигают 10
кпк, а светимости их не превышают 1011 светимостей
Солнца. В таких галактиках содержится много газа
– до 50 % их общей массы.
Ближайшими к нам яркими неправильными
галактиками являются расположенные в Южном
полушарии Магеллановы Облака (Большое и Малое).
Они выглядят как два туманных облачка,
серебристо светящихся в хорошую погоду на ночном
небе. Большое Магелланово Облако, имеющее в
диаметре 7 кпк, расположено от нас на расстоянии
52 кпк. По мнению некоторых астрономов, в
Магеллановых Облаках можно различить зачатки
спиральной структуры.
В отдельные группы галактик выделяют:
Взаимодействующие галактики, связанные между собой "перемычками", "хвостами" и "гамма-формами", состоящими из звезд.
Компактные галактики, не превышающие своими размерами 3000 св. лет, и изолированные в пространстве звездные системы имеющие значительно меньшие размеры – до 200 св. лет.
Активные галактики выделяются
интенсивным свечением в радио- или
ультрафиолетовом диапазоне,
испусканием g –квантов высоких энергий,
необычайно яркими ядрами с двойными и даже
кратными источниками излучения, в которых
происходят бурные процессы, сопровождаемые
выбрасыванием мощных потоков газа (джетов) со
скоростью свыше 1000 км/с (до 1% от общего числа
галактик).
Активность ряда галактик может объясняться
процессами, происходящими в результате их
тесного взаимодействия (слияния). Так,
столкновение галактики М81 и М82 около 600 000 лет
назад привело к образованию в области их
контакта сотен гигантских областей активнейшего
звездообразования, из-за чего галактика М82
наблюдается сейчас как "взрывающаяся".
В особый класс космических объектов следует выделить квазары и квазаги.
Квазар – мощное и далёкое активное ядро галактики. Квазары являются одними из самых ярких объектов во Вселенной – их мощность излучения иногда в десятки и сотни раз превышает суммарную мощность всех звёзд таких галактик, как наша. В первую очередь квазары были опознаны как объекты с большим красным смещением, имеющие электромагнитное излучение (включая радиоволны и видимый свет) и настолько малые угловые размеры, что в течение нескольких лет после открытия их не удавалось отличить от «точечных источников» – звёзд.
Кваза'г – космический
объект, напоминающий квазар, но не обладающий
сильным радиоизлучением. Квазаги
были открыты в 1965 году. Как и квазары, квазаги имеют
очень большие (больше, чем у сверхгигантских галактик) светимости при
сравнительно малых размерах, но, в отличие от
квазаров, у квазагов нет сильного
радиоизлучения.
Расстояние до галактик определяется несколькими
способами, из наблюдений находящихся в них:
1) звезд цефеид на основе соотношения "период
изменения блеска – светимость цефеиды";
2) звезд ярких голубых и красных гигантов и
сверхгигантов по основной фотометрической
формуле 
, где m –
видимая звездная величина звезды, M – абсолютная
звездная величина звезды, определяемая на основе
закономерностей (диаграмм) "спектр –
светимость" и "цвет – светимость";
3) вспышек Новых и Сверхновых (на основе той же
фотометрической формулы).
К сожалению, эти методы применимы лишь для измерения расстояния до самых близких галактик, разрешаемых в мощнейшие телескопы на отдельные звезды, и по ряду причин полученные результаты несколько расходятся между собой, т.е. являются недостаточно точными.
В 2000-2001 гг. была сделана первая попытка определить расстояние до ближайших галактик наиболее точным и устойчивым к различным помехам параллактическим способом: использовалась система радиотелескопов, работающая в режиме радиоинтерферометра.
Расстояние до далеких галактик определяется на основе закона Хаббла, о котором вы узнаете на следующем уроке.
В настоящее время среднее расстояние между отдельными галактиками в скоплениях в среднем в 100 раз превосходит размеры галактик и продолжает увеличиваться. В эпоху формирования галактики были ближе друг к другу и чаще взаимодействовали между собой. При столкновениях галактик их протяженные газовые короны рассеивались по всему скоплению. Более массивные галактики при движении внутри скоплений ускоряют движение других галактик, а сами тормозятся, захватывая газ из корон галактик.
Ближайшая спиральная галактика М31 – "Туманность Андромеды" находится на расстоянии 750 кпк от нашей Галактики и постепенно сближается с ней. Через 3-4 миллиарда лет они сблизятся до 20-400 кпк и, возможно, сольются.
В отличие от других космических объектов, одиночные галактики наблюдаются исключительно редко. Как правило, они являются элементами каких-либо обширных галактических систем – групп, скоплений и Сверхскоплений галактик.
Группы галактик включают в себя до 100 галактик с их спутниками, имеющих общее происхождение, гравитационно-связанных между собой и перемещающихся в пространстве как единое целое.
Местная группа галактик
В Местную группу галактик размерами
до 1400 кпк входит 38 объектов, в том числе 4
спиральных, 20 эллиптических и 14 неправильных
галактик.
Её центр масс расположен на линии, соединяющей
нашу Галактику с М31 на расстоянии 40 кпк от
последней.
Взаимное сближение галактик Местной группы
может привести к тому, что 1011-1012 лет
спустя они сольются в одну Сверхгалактику.
Местная группа галактик входит в скопление
галактик в созвездии Девы размерами до 5 Мпк,
включающем в себя свыше 200 галактик высокой и
средней светимости. Под действием сил тяготения
она перемещается со скоростью 600 км/с в
направлении созвездия Гидры, удаленному на
расстояние 70 Мпк.
Скопление в Деве представляет собой центральное
сгущение нашего Сверхскопления, включающего в
себя более 20000 крупных галактик. Его ближайшие
соседи – Сверхскопление в созвездии Льва (до
него 140 Мпк) и в Геркулесе (150 Мпк).
Сверхскопления галактик представляют собой
системы скоплений галактик размерами 50-150 Мпк,
состоящие из нескольких богатых скоплений,
мелких групп и одиночных галактик. В состав
Сверхскоплений входит до 50000 галактик. В
настоящее время известно около 50 Сверхскоплений.
Система Сверхскоплений галактик образует
структуру Метагалактики – части Вселенной,
в которой мы живем и которая доступна нашим
наблюдениям.
Закрепление изученного материала проводится в форме самостоятельной и практической работ: учащимся предлагается по 10-15 фотографиям различных галактик создать их классификацию (повторение работы Э. Хаббла) затем она уточняется, детализируется.
Литература
- Астрономия, учебник для 10-го класса Воронцов-Вельяминов Б.А.
- Астрономия: Учебное пособие Засов А. В., Кононович Э. В.
- Атлас звездного неба, Шимбалев А. А., Москва, АСТ, 2008 год
- XVII Всероссийская олимпиада школьников по астрономии. Анапа, 2010 год. Условия и решения задач теоретического и практического тура
- http://ru.wikipedia.org
- http://www.astronet.ru