25.1: Архітектура Галактики

Last updated
Save as PDF

Page ID: 78202

\( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \) \( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)\(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)

Цілі навчання

До кінця цього розділу ви зможете:

Поясніть, чому Вільям і Керолайн Гершель прийшли до висновку, що Чумацький Шлях має сплющену структуру, зосереджену на Сонці та Сонячній системі.
Опишіть проблеми визначення структури Галактики з нашої точки зору всередині неї
Визначте основні складові Галактики

Галактика Чумацького Шляху оточує нас, і ви можете подумати, що це легко вчитися, тому що вона так близько. Однак сам факт того, що ми вбудовані в нього, представляє складний виклик. Припустимо, вам дали завдання картографування Нью-Йорка. Ви могли б зробити набагато кращу роботу з вертольота, що летить над містом, ніж ви могли б, якби ви стояли на Таймс-сквер. Так само було б легше скласти карту нашої Галактики, якби ми могли лише трохи вийти за межі неї, але замість цього ми опинилися в пастці всередині і виходимо в її передмістях - далеко від галактичного еквівалента Таймс-сквер.

Гершель вимірює галактику

У 1785 році Вільям Гершель (рис.\(\PageIndex{1}\)) зробив перше важливе відкриття про архітектуру галактики Чумацького Шляху. Використовуючи великий відображає телескоп, який він побудував, Вільям і його сестра Керолайн підраховували зірки в різних напрямках неба. Вони виявили, що більшість зірок, які вони могли бачити, лежали в сплющеній структурі, що оточує небо, і що номери зірок були приблизно однаковими в будь-якому напрямку навколо цієї структури. Таким чином, Гершель дійшов висновку, що зоряна система, до якої належить Сонце, має форму диска або колеса (він міг би назвати це Фрісбі, крім того, що ще не винайшли фрісбі), і що Сонце повинно знаходитися біля ступиці колеса (рис.\(\PageIndex{2}\)).

альт — Фігура\(\PageIndex{1}\) Вільяма Гершеля (1738—1822) та Керолайн Гершель (1750—1848). Вільям Гершель був німецьким музикантом, який емігрував до Англії і зайнявся астрономією у вільний час. Він відкрив планету Уран, побудував кілька великих телескопів і зробив виміри місця Сонця в Галактиці, руху Сонця через простір і порівняльної яскравості зірок. На цій картині Вільям і його сестра Керолайн полірують об'єктив телескопа.

Щоб зрозуміти, чому Гершель дійшов такого висновку, уявіть, що ви є членом групи, що стоїть у формуванні під час перерви на футбольному матчі. Якщо порахувати учасників групи, яких ви бачите в різні боки, і кожен раз отримувати приблизно однакову кількість, можна зробити висновок, що смуга розташувалася по круговому візерунку з вами в центрі. Оскільки ви не бачите жодної групи над вами або під землею, ви знаєте, що коло, зроблене групою, набагато рівніше, ніж широке.

Тепер ми знаємо, що Гершель мав рацію щодо форми нашої системи, але помилявся про те, де Сонце лежить всередині диска. Як ми бачили в Між зірками: газ і пил у космосі, ми живемо в запиленій Галактиці. Оскільки міжзоряний пил поглинає світло від зірок, Гершель міг бачити лише ті зірки протягом приблизно 6000 світлових років від Сонця. Сьогодні ми знаємо, що це дуже маленька ділянка всього диска зірок діаметром 100 000 світло-річного, що становить Галактику.

ХАРЛОУ ШЕПЛІ: КАРТОГРАФІСТ ДО ЗІРОК

До початку 1900-х років астрономи взагалі приймали висновок Гершеля про те, що Сонце знаходиться недалеко від центру Галактики. Відкриття справжнього розміру Галактики та нашого фактичного розташування відбулося значною мірою завдяки зусиллям Харлоу Шеплі. У 1917 році він вивчав змінні зірки RR Lyrae в кулястих скупченнях. Порівнюючи відому внутрішню світність цих зірок з тим, наскільки яскравими вони з'явилися, Шеплі міг обчислити, наскільки вони далеко. (Нагадаємо, що саме відстань робить зірки більш тьмяними, ніж вони були б «близько», і що яскравість згасає, коли відстань у квадраті.) Знаючи відстань до будь-якої зірки в скупченні, потім говорить нам відстань до самого скупчення.

Кульові скупчення можна знайти в регіонах, вільних від міжзоряного пилу, і тому їх можна побачити на дуже великих відстанях. Коли Шеплі використовував відстані і напрямки 93 кулястих скупчень для відображення їх положення в просторі, він виявив, що скупчення розподілені в сферичному об'ємі, який має свій центр не на Сонці, а в далекій точці вздовж Чумацького Шляху в напрямку Стрільця. Потім Шеплі зробив сміливе припущення, перевірене багатьма іншими спостереженнями з тих пір, що точка, на якій зосереджена система кулястих скупчень, також є центром всієї Галактики (рис.\(\PageIndex{3}\)).

Робота Шеплі раз і назавжди показала, що нашій зірці немає особливого місця в Галактиці. Ми знаходимося в непоказному районі Чумацького Шляху, лише одна з 200 до 400 мільярдів зірок, які оточують віддалений центр нашої Галактики.

Народився в 1885 році на фермі в Міссурі, Харлоу Шеплі спочатку кинув школу з еквівалентом лише п'ятого класу освіти. Він навчався вдома і в 16 років влаштувався на роботу репортером газети, що висвітлює історії злочинів. Розчаровані відсутністю можливостей для того, хто не закінчив середню школу, Шеплі повернувся і завершив шестирічну програму середньої школи всього за два роки, закінчивши як клас valedictorian.

У 1907 році, у віці 22 років, він пішов до Університету Міссурі, маючи намір вивчати журналістику, але виявив, що школа журналістики не відкриється протягом року. Гортаючи каталог коледжу (або так він розповів історію пізніше), він шансів побачити «Астрономію» серед предметів, що починаються з «А.» Згадуючи свій хлопчачий інтерес до зірок, він вирішив вивчити астрономію на наступний рік (а решта, як то кажуть, історія).

Після закінчення школи Шеплі отримав стипендію для аспірантури в Прінстоні і почав працювати з блискучим Генрі Норрісом Расселом (див. Генрі Норріс Рассел feature box в розділі 18.4). За свою кандидатську дисертацію Шеплі зробив великий внесок у методи аналізу поведінки затемнення бінарних зірок. Він також зміг показати, що цефеїдні змінні зірки - це не бінарні системи, як думали деякі люди в той час, а окремі зірки, які пульсують з вражаючою регулярністю.

Вражений роботою Шеплі, Джордж Еллері Хейл запропонував йому посаду в обсерваторії Маунт-Вілсон, де юнак скористався чистим гірським повітрям і 60-дюймовим відбивачем, щоб зробити своє піонерське дослідження змінних зірок в кулястих скупченнях.

Згодом Шеплі прийняв директорство обсерваторії Гарвардського коледжу, і протягом наступних 30 років він і його співробітники вносили внесок у багато областей астрономії, включаючи вивчення сусідніх галактик, відкриття карликових галактик, огляд розподілу галактик в Всесвіт, і багато іншого. Він написав серію нетехнічних книг і статей і став відомий як один з найефективніших популяризаторів астрономії. Шеплі любив читати лекції по всій країні, в тому числі в багатьох невеликих коледжах, де студенти та викладачі рідко стикалися з вченими свого калібру.

Під час Другої світової війни Шеплі допоміг врятувати багатьох вчених та їхні сім'ї зі Східної Європи; пізніше він допоміг заснувати ЮНЕСКО, Організацію Об'єднаних Націй з питань освіти, науки та культури. Він написав брошуру під назвою Science from Shipboard для чоловіків і жінок в збройних службах, яким довелося багато тижнів проводити на борту транспортних суден до Європи. А в складний період 1950-х років, коли комітети конгресу почали свої «полювання на відьом» на комуністичних співчуваючих (в тому числі таких ліберальних лідерів, як Шеплі), він виступив насильно і безстрашно на захист свободи думки і самовираження. Людина багатьох інтересів, він був захоплений поведінкою мурах, і писав наукові праці про них, а також про галактики.

До того часу, коли він помер у 1972 році, Шеплі був визнаний однією з ключових фігур сучасної астрономії, «Коперник двадцятого століття», який зробив карту Чумацького Шляху і показав нам наше місце в Галактиці.

Щоб знайти більше інформації про життя та роботу Шеплі, дивіться запис для нього на веб-сайті Bruce Medalists. (На цьому сайті представлені переможці медалі Брюса Астрономічного товариства Тихого океану, однієї з найвищих нагород в астрономії; список - хто є хто з деяких найбільших астрономів останніх дванадцяти десятиліть.)

Диски та ореоли

За допомогою сучасних приладів астрономи тепер можуть проникнути в «смог» Чумацького Шляху, вивчаючи радіо- та інфрачервоні випромінювання з віддалених частин Галактики. Вимірювання на цих довжині хвиль (а також спостереження за іншими галактиками, подібними до нашої) дали нам гарне уявлення про те, як виглядав би Чумацький Шлях, якби ми могли спостерігати його здалеку.

Малюнок\(\PageIndex{4}\) ескізів, що ми побачили б, якби ми могли переглядати Галактику обличчям і краєм. Найяскравіша частина Галактики складається з тонкого, круглого, обертового диска зірок, розподілених по області діаметром близько 100 000 світлових років і товщиною близько 1000 світлових років. (Враховуючи, наскільки тонкий диск, можливо, компакт-диск є більш підходящою аналогією, ніж колесо.) Крім зірок, пил і газ, з яких утворюються зірки, також знаходяться в основному в тонкому диску Галактики. Маса міжзоряного речовини становить близько 15% від маси зірок в цьому диску.

Як\(\PageIndex{4}\) показано на діаграмі на малюнку, зірки, газ та пил не розподіляються рівномірно по всьому диску, а зосереджені в центральній планці та серії спіральних плечей. Останні інфрачервоні спостереження підтвердили, що центральна смуга складається здебільшого зі старих жовто-червоних зірок. Два основних спіральних плеча, як видається, з'єднуються з кінцями бруска. Вони підсвічуються синім світлом від молодих гарячих зірок. Ми знаємо багато інших спіральних галактик, які також мають смугоподібні концентрації зірок у своїх центральних областях; з цієї причини їх називають забороненими спіралями. \(\PageIndex{5}\)На малюнку показані дві інші галактики - одна без бару і одна з міцною планкою - щоб дати вам основу для порівняння з нашою власною. Більш докладно опишемо нашу спіральну конструкцію коротше. Сонце розташоване приблизно на півдорозі між центром Галактики і краєм диска і лише близько 70 світлових років над його центральною площиною.

Наш тонкий диск молодих зірок, газу та пилу вбудований в більш товстий, але більш дифузний диск старих зірок; цей товстий диск простягається приблизно на 1000 світлових років вище і на 1000 світлових років нижче середньої площини тонкого диска і містить лише близько 5% більше маси, ніж тонкий диск. Зірки стоншуються на відстані від галактичної площини і не мають гострого краю. Приблизно 2/3 зірок у товстому диску знаходяться в межах 1000 світлових років від середньої площини.

Близько до галактичного центру (протягом приблизно 10 000 світлових років) зірки більше не обмежуються диском, а утворюють центральну опуклість (або ядерну опуклість). Коли ми спостерігаємо з видимим світлом, ми можемо побачити зірки в опуклості лише в тих рідкісних напрямках, де трапляється відносно мало міжзоряного пилу. Перша картина, яка насправді вдалося показати опуклість в цілому, була зроблена на інфрачервоних довжині хвиль (рис.\(\PageIndex{6}\)).

Той факт, що значна частина опуклості затьмарюється пилом, ускладнює визначення її форми. Довгий час астрономи припускали, що він сферичний. Однак інфрачервоні зображення та інші дані свідчать про те, що опуклість приблизно в два рази довша, ніж вона широка, і за формою скоріше нагадує арахіс. Зв'язок між цією витягнутою внутрішньою опуклістю та більшою смугою зірок залишається невизначеною. У самому центрі ядерної опуклості знаходиться величезна концентрація речовини, про яку ми поговоримо далі в цьому розділі.

У нашій Галактиці тонкі і товсті диски і ядерна опуклість вбудовані в сферичний ореол дуже старих, слабких зірок, який простягається на відстань щонайменше 150 000 світлових років від галактичного центру. Більшість кулястих скупчень також знаходяться в цьому ореолі.

Маса в Чумацькому Шляху простягається ще далі, далеко за межі світяться зірок на відстань не менше 200 000 світлових років від центру Галактики. Ця невидима маса отримала назву темна матерія, оскільки вона не випромінює світла і не може бути помічена жодним телескопом. Його склад невідомий, і виявити його можна тільки через його гравітаційного впливу на рухи світиться речовини, які ми можемо бачити. Ми знаємо, що цей великий ореол темної матерії існує через його вплив на орбіти далеких зоряних скупчень та інших карликових галактик, які пов'язані з Галактикою. Цей таємничий ореол буде предметом розділу про «Масу Галактики», а властивості темної матерії будуть розглянуті докладніше в розділі про Великий вибух.

Деякі життєві статистичні дані тонких і товстих дисків і зоряного ореолу наведені в табл.\(\PageIndex{1}\), з ілюстрацією на рис\(\PageIndex{7}\). Особливо зверніть увагу на те, як віки зірок співвідносяться з тим, де вони знаходяться. Як ми побачимо, ця інформація містить важливі підказки про те, як утворилася Галактика Чумацького Шляху.

Таблиця\(\PageIndex{1}\): Характеристика галактики Чумацького Шляху
Нерухомість	Тонкий диск	Товстий диск	Зоряний ореол (виключає темну матерію)
зоряна маса	4 × 10 ¹⁰\(M_{\text{Sun}}\)	Кілька відсотків від маси тонкого диска	10 ¹⁰\(M_{\text{Sun}}\)
Світність	3 × 10 ¹⁰\(L_{\text{Sun}}\)	Кілька відсотків світності тонкого диска	8 × 10 ⁸\(L_{\text{Sun}}\)
Типовий вік зірок	1 млн до 10 мільярдів років	11 мільярдів років	13 мільярдів років
Достаток важчого елемента	Високі	Проміжний	Дуже низький
Обертання	Високі	Проміжний	Дуже низький

Встановлення цієї загальної картини Галактики з нашої пил оповитої точки зору всередині тонкого диска було одним з великих досягнень сучасної астрономії (і той, який зайняв десятиліття зусиль астрономів, що працюють з широким спектром телескопів). Одна річ, яка надзвичайно допомогла, - це відкриття того, що наша Glaxy не є унікальною за своїми характеристиками. У Всесвіті є багато інших плоских, спіралеподібних островів зірок, газу та пилу. Наприклад, Чумацький Шлях чимось нагадує галактику Андромеди, яка на відстані близько 2,3 мільйона світлових років є нашою найближчою сусідньою гігантською спіральною галактикою. Так само, як ви можете отримати набагато краще уявлення про себе, якщо хтось інший робить фотографію здалеку, фотографії та інші діагностичні спостереження довколишніх галактик, які нагадують нашу, були життєво важливими для нашого розуміння властивостей Чумацького Шляху.

галактика Чумацького шляху в міфі та легенді

Для більшості з нас, що живуть в двадцять першому столітті, Галактика Чумацького Шляху - це невловиме видовище. Ми повинні докласти зусиль, щоб залишити наші добре освітлені будинки і вулиці і вийти за межі наших міст і передмістя в менш населені середовища. Після того, як світлове забруднення стихає до незначних рівнів, Чумацький Шлях можна легко помітити, що вигинається над небом у ясні безмісячні ночі. Чумацький Шлях особливо яскравий в кінці літа і на початку осені в Північній півкулі. Деякі з кращих місць для перегляду Чумацького Шляху знаходяться в наших національних і державних парках, де житлові та промислові розробки були зведені до мінімуму. Деякі з цих парків проводять спеціальні небоглядні події, які, безумовно, варто перевірити - особливо протягом двох тижнів, що оточують молодик, коли слабкі зірки та Чумацький Шляхи не повинні конкурувати з блиском Місяця.

Поверніться на кілька століть, і ці зоряні пам'ятки були б швидше нормою, ніж винятком. До появи електричного або навіть газового освітлення люди покладалися на короткочасні пожежі для освітлення своїх будинків і байпасів. Отже, їхнє нічне небо було, як правило, набагато темніше. Зіткнувшись з безліччю зоряних візерунків і смугою розсіяного світла Чумацького Шляху, люди всіх культур розробили міфи, щоб зрозуміти все це.

Деякі з найдавніших міфів, що стосуються Чумацького Шляху, підтримуються аборигенами австралійців через їх наскальний живопис та розповідь. Вважається, що ці спадщини сягають десятки тисяч років, до того часу, коли аборигени «мріяли» разом з рештою космосу. Чумацький Шлях відігравав центральну роль арбітра Творіння. Приймаючи форму великого змія, вона з'єдналася з земним змієм, щоб мріяти і таким чином створити всіх істот на Землі.

Стародавні греки розглядали Чумацький Шлях як бризки молока, що виливалися з грудей богині Гери. У цій легенді Зевс таємно помістив свого немовляти сина Геракла до грудей Гери, поки вона спала, щоб дати своєму напівлюдському синові безсмертні сили. Коли Гера прокинулася і знайшла Геракла, що смокче, вона відштовхнула його, змусивши її молоко розпорошуватися в космос (рис.\(\PageIndex{8}\)).

Династичні китайці розглядали Чумацький Шлях як «срібну річку», яка була зроблена, щоб розділити двох закоханих зірками. На схід від Чумацького Шляху Чжи Ну, ткацька діва, ототожнювалася з яскравою зіркою Веги в сузір'ї Ліри Арфи. На захід від Чумацького Шляху її коханий Ніу Ланг, пастух, асоціювався зі зіркою Альтаїр в сузір'ї Орла Аквіли. Вони були заслані з протилежних боків Чумацького Шляху мати Чжі Ну, Цариця Небесна, після того, як вона почула про їхній таємний шлюб і народження двох їхніх дітей. Однак раз на рік їм дозволяється возз'єднатися. На сьомий день сьомого місячного місяця (що зазвичай відбувається в нашому серпні місяці) вони зустрінуться на мосту через Чумацький Шлях, який зробили тисячі сороки (рис.\(\PageIndex{8}\)). Цей романтичний час продовжує святкуватися сьогодні як Ци Сі, що означає «Подвійний сьомий», з парами, що реагують на космічне возз'єднання Чжі Ну та Ню Ланг.

Для індіанців кечуа Андського Перу Чумацький Шлях розглядався як небесна обитель для всіляких космічних істот. Уздовж Чумацького Шляху розташовані незліченні темні плями, які вони ототожнювали з куріпками, лами, жабою, змією, лисицею та іншими тваринами. Орієнтація Кечуа на темні регіони, а не світиться смуга зоряного світла, здається, унікальна серед усіх творців міфів. Ймовірно, їх доступ до багато структурованого південного Чумацького Шляху мав щось спільне з цим.

Серед фінів, естонців та споріднених північноєвропейських культур Чумацький Шлях розглядається як «шлях птахів» по нічному небу. Відзначивши, що птахи сезонно мігрують по маршруту північ-південь, вони ототожнювали це попутно з Чумацьким Шляхом. Останні наукові дослідження показали, що цей міф корениться насправді: птахи цього регіону використовують Чумацький Шлях як орієнтир для своїх щорічних міграцій.

Сьогодні ми розглядаємо Чумацький Шлях як нашу галактичну обитель, де на грандіозній сцені розігрується запал народження зірок і смерті зірок, і де різні планети, які обертаються навколо всіляких зірок. Хоча наш погляд на Чумацький Шлях базується на наукових дослідженнях, ми поділяємо з нашими предками спорідненість до розповіді історій походження та трансформації. У цьому відношенні Чумацький Шлях продовжує зачаровувати і надихати нас.

Ключові поняття та резюме

Галактика Чумацького Шляху складається з тонкого диска, що містить пил, газ та молоді та старі зірки; сферичний ореол, що містить популяції дуже старих зірок, включаючи змінні зірки RR Lyrae та кулясті зоряні скупчення; товстий, більш дифузний диск із зірками, які мають властивості проміжні між тими, що знаходяться в тонкому диск і ореол; арахісоподібна ядерна опуклість переважно старих зірок навколо центру; і надмасивна чорна діра в самому центрі. Сонце розташоване приблизно на півдорозі від Чумацького Шляху, приблизно в 26 000 світлових років від центру.

Глосарій

ореол темної матерії: маса в Чумацькому Шляху, яка простягається далеко за межі світяться зірок на відстань не менше 200 000 світлових років від центру Галактики; хоча ми виводимо її існування з її сили тяжіння, склад цієї матерії залишається загадкою

ореол: крайня протяжність нашої Галактики (або іншої галактики), що містить розріджений розподіл зірок і кулястих скупчень в більш-менш сферичному розподілі

Галактика Чумацький Шлей: смуга світла, що оточує небо, що пов'язано з безліччю зірок і розсіяних туманностей, що лежать біля площини Галактики Чумацького Шляху

центральна опуклість: (або ядерна опуклість) центральна (кругла) частина Чумацького Шляху або подібна галактика