25.3: Маса Галактики

Last updated

Oct 27, 2022
Save as PDF
- 25.2: Спіральна структура
- 25.4: Центр Галактики

$\newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} }$

$\newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}}$

$\newcommand{\id}{\mathrm{id}}$

$\newcommand{\Span}{\mathrm{span}}$

$\newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}$

$\newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}$

$\newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}$

$\newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}$

$\newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}$

$\newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}$

$\newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}$

$\newcommand{\Span}{\mathrm{span}}$

$\newcommand{\id}{\mathrm{id}}$

$\newcommand{\Span}{\mathrm{span}}$

$\newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}$

$\newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}$

$\newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}$

$\newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}$

$\newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}$

$\newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}$

$\newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}$

$\newcommand{\Span}{\mathrm{span}}$

Цілі навчання

До кінця цього розділу ви зможете:

Опишіть історичні спроби визначити масу Галактики
Інтерпретуйте спостережувану криву обертання нашої Галактики, щоб припустити наявність темної матерії, розподіл якої поширюється далеко за орбіту Сонця.

Коли ми описували розділи Чумацького Шляху, ми сказали, що зірки тепер, як відомо, оточені набагато більшим ореолом невидимої матерії. Давайте подивимося, як було зроблено це дивовижне відкриття.

Кеплер допомагає зважити галактику

Сонце, як і всі інші зірки Галактики, обертається навколо центру Чумацького Шляху. Орбіта нашої зірки майже кругова і лежить в диску Галактики. Швидкість Сонця на його орбіті становить близько 200 кілометрів в секунду, а це означає, що нам потрібно приблизно 225 мільйонів років, щоб один раз обійти центр Галактики. Період революції Сонця ми називаємо галактичним роком. Це тривалий час у порівнянні з людськими часовими масштабами; за все життя Землі пройшло всього близько 20 галактичних років. Це означає, що ми пройшли лише крихітну частину шляху навколо Галактики за весь час, коли люди дивилися в небо.

Ми можемо використовувати інформацію про орбіту Сонця для оцінки маси Галактики (так само, як ми могли б «зважити» Сонце, контролюючи орбіту планети навколо нього - див. Орбіти і Гравітація). Припустимо, що орбіта Сонця кругова і що Галактика приблизно сферична, (ми знаємо, що Галактика більше нагадує диск, але для спрощення розрахунку ми зробимо це припущення, яке ілюструє основний підхід). Давним-давно Ньютон показав, що якщо у вас матерія розподілена у формі сфери, то просто обчислити тягу тяжіння на якомусь об'єкті безпосередньо поза цією сферою: можна припустити, що гравітація діє так, ніби вся матерія зосереджена в точці в центрі сфери. Для нашого розрахунку ми можемо припустити, що вся маса, яка лежить всередині положення Сонця, зосереджена в центрі Галактики, і що Сонце обертається навколо цієї точки з відстані близько 26 000 світлових років.

Це така ситуація, до якої третій закон Кеплера (модифікований Ньютоном) може бути безпосередньо застосований. Включивши числа в формулу Кеплера, ми можемо обчислити суму мас Галактики і Сонця. Однак маса Сонця абсолютно тривіальна в порівнянні з масою Галактики. Таким чином, для всіх практичних цілей результатом (приблизно в 100 мільярдів разів більше маси Сонця) є маса Чумацького Шляху. Більш складні розрахунки на основі більш складних моделей дають аналогічний результат.

Наша оцінка говорить нам, скільки маси міститься в обсязі всередині орбіти Сонця. Це хороша оцінка для загальної маси Галактики лише в тому випадку, якщо навряд чи якась маса лежить поза орбітою Сонця. Протягом багатьох років астрономи вважали це припущення розумним. Кількість яскравих зірок і кількість світлової речовини (мається на увазі будь-який матеріал, з якого ми можемо виявити електромагнітне випромінювання) обидва різко падають на відстані більше 30 000 світлових років від галактичного центру. Ми мало підозрювали, наскільки неправильним було наше припущення.

Галактика здебільшого невидимої матерії

У науці те, що здається розумним припущенням, згодом може виявитися неправильним (саме тому ми продовжуємо робити спостереження та експерименти кожен шанс, який ми отримуємо). Чумацького Шляху набагато більше, ніж здається на око (або наші інструменти). Хоча за 30 000 світлових років порівняно мало світлової матерії, ми тепер знаємо, що багато невидимої матерії існує на великих відстанях від галактичного центру.

Ми можемо зрозуміти, як астрономи виявили цю невидиму речовину, пам'ятаючи, що згідно з третім законом Кеплера, об'єкти, що обертаються на великих відстанях від масивного об'єкта, будуть рухатися повільніше, ніж об'єкти, що знаходяться ближче до цієї центральної маси. Наприклад, у випадку з Сонячною системою зовнішні планети рухаються повільніше по своїх орбітах, ніж планети, близькі до Сонця.

Є кілька об'єктів, включаючи кулясті скупчення та деякі сусідні невеликі супутникові галактики, які лежать далеко за межами світлової межі Чумацького Шляху. Якщо більша частина маси нашої Галактики була зосереджена в межах світиться області, то ці дуже далекі об'єкти повинні подорожувати по своїх галактичних орбітах з меншими швидкостями, ніж, наприклад, Сонце.

Виявляється, однак, що нечисленні об'єкти, помічені на великих відстанях від світлової межі Галактики Чумацький Шлях, рухаються не повільніше, ніж Сонце. Існують деякі кулясті скупчення та зірки RR Lyrae на відстані від 30 000 до 150 000 світлових років від центру Галактики, а їх орбітальні швидкості навіть більші, ніж у Сонця (рис. $\PageIndex{1}$ ).

альт — Малюнок Крива $\PageIndex{1}$ обертання Галактики. Орбітальна швидкість газу окису вуглецю (СО) і водню (Н) на різних відстанях від центру Галактики Чумацький Шлях показана червоним кольором. Синя крива показує, як виглядала б крива обертання, якби вся речовина в Галактиці знаходилася всередині радіуса 30000 світлових років. Замість того, щоб йти вниз, швидкість газових хмар далі залишається високою, що вказує на велику масу за орбітою Сонця. Горизонтальна вісь показує відстань від галактичного центру в кілопарсеках (де кілопарсек дорівнює 3,260 світлових років).

Що означають ці більш високі швидкості? Третій закон Кеплера говорить нам про те, як швидко об'єкти повинні орбіти джерела тяжіння, якщо вони не повинні ні впасти (тому що вони рухаються занадто повільно), ні втекти (тому що вони рухаються занадто швидко). Якщо Галактика мала тільки масу, розраховану Кеплером, то швидкісні зовнішні об'єкти давно повинні були уникнути хватки Чумацького Шляху. Той факт, що вони цього не зробили, означає, що наша Галактика повинна мати більше сили тяжіння, ніж може забезпечуватися світловою речовиною - насправді, набагато більше тяжкості. Висока швидкість цих зовнішніх об'єктів говорить нам про те, що джерело цієї додаткової сили тяжіння має виходити назовні від центру далеко за орбіту Сонця.

Якщо гравітація забезпечувалася зірками або чимось іншим, що випромінює випромінювання, ми давно повинні були помітити цей додатковий зовнішній матеріал. Тому ми змушені до неохоче висновку, що ця матерія невидима і, крім своєї гравітаційної тяги, залишилася зовсім непоміченою.

Дослідження рухів найвіддаленіших кулястих скупчень і малих галактик, які обертаються навколо нашої власної, показують, що загальна маса Галактики щонайменше $2 \times 10^{12}$ $M_{\text{Sun}}$ , що приблизно в двадцять разів перевищує кількість світиться речовини. Більш того, темна матерія (як астрономи прийшли називати невидимим матеріалом) простягається на відстань не менше 200 000 світлових років від центру Галактики. Спостереження показують, що цей ореол темної матерії майже, але не зовсім кулястий.

Очевидне питання: з чого складається темна матерія? Давайте розглянемо список «підозрюваних», взятих з нашого дослідження астрономії поки що. Оскільки ця матерія невидима, вона явно не може бути у вигляді звичайних зірок. І це не може бути газ ні в якому вигляді (пам'ятайте, що його повинно бути багато). Якби це був нейтральний водневий газ, його спектральне випромінювання довжиною хвилі 21 см було б виявлено як радіохвилі. Якщо це був іонізований водень, він повинен бути досить гарячим, щоб випромінювати видиме випромінювання. Якщо багато атомів водню там об'єдналися в молекули водню, вони повинні створювати темні ознаки в ультрафіолетових спектрах об'єктів, що лежать за межами Галактики, але таких особливостей не було помічено. Темна матерія також не може складатися з міжзоряного пилу, оскільки в необхідних кількостях пил значно затінює світло від далеких галактик.

Які інші наші можливості? Темна матерія не може бути величезною кількістю чорних дір (зоряної маси) або старих нейтронних зірок, оскільки міжзоряна речовина, що потрапляє на такі об'єкти, виробляла б більше рентгенівських променів, ніж спостерігається. Також нагадаємо, що утворенню чорних дір і нейтронних зірок передує значна кількість втрат маси, яка розсіює важкі елементи в космос для включення в наступні покоління зірок. Якби темна матерія складалася з величезної кількості будь-якого з цих об'єктів, вони б здули і переробили багато важчих елементів за всю історію Галактики. У такому випадку молоді зірки, які ми спостерігаємо в нашій Галактиці сьогодні, містили б набагато більшу кількість важких елементів, ніж вони насправді.

Коричневі карлики та самотні планети, подібні до Юпітера, також були виключені. Перш за все, їх потрібно було б дуже багато, щоб скласти стільки темної матерії. Але ми маємо більш прямий тест на те, чи так багато об'єктів з низькою масою насправді можуть ховатися там. Як ми дізналися в «Чорних дірах» і «Вигнутому просторучасі», загальна теорія відносності передбачає, що шлях, пройдений світлом, змінюється, коли він проходить поблизу концентрації маси. Виходить, що коли два об'єкти з'являються досить близько один до одного на небі, маса ближче до нас може відігнути світло далі. При правильному вирівнюванні зображення більш віддаленого об'єкта також стає значно яскравішим. Шукаючи тимчасове освітлення, яке відбувається, коли об'єкт темної матерії в нашій власній Галактиці рухається по шляху, пройденому світлом від зірок у Магелланових хмарах, астрономи тепер показали, що темна матерія не може бути складена з безлічі дрібних об'єктів з масою від однієї мільйонної до однієї десятої маса Сонця.

Що залишилося? Одна з можливостей полягає в тому, що темна матерія складається з екзотичних субатомних частинок типу, ще не виявленого на Землі. Зараз ведуться дуже складні (і складні) експерименти з пошуку таких частинок. Слідкуйте за оновленнями, щоб побачити, чи щось подібне з'являється.

Слід додати, що проблема темної матерії аж ніяк не обмежується Чумацьким Шляхом. Спостереження показують, що темна матерія також повинна бути присутня в інших галактиках (зовнішні області яких також обертаються занадто швидко «для власного блага» - вони також мають плоскі криві обертання). Як ми побачимо, темна матерія навіть існує у великих скупченнях галактик, члени яких тепер, як відомо, рухаються під впливом набагато більшої гравітації, ніж може бути врахована лише світлова матерія.

Зупиніться на мить і подумайте, наскільки вражаючим є висновок, до якого ми дійшли насправді. Можливо, цілих 95% маси в нашій Галактиці (і багатьох інших галактиках) не тільки невидимі, але ми навіть не знаємо, з чого вона зроблена. Зірки та сировина, які ми можемо спостерігати, можуть бути лише вершиною космічного айсберга; в основі всього цього може бути інша справа, можливо, знайома, можливо, вражаюче нова. Розуміння природи цієї темної матерії є одним із великих викликів астрономії сьогодні; ви дізнаєтеся більше про це у Всесвіті (переважно) Темної Матерії та Темної Енергії.

Резюме

Сонце повністю обертається навколо галактичного центру приблизно через 225 мільйонів років (галактичний рік). Масу Галактики можна визначити шляхом вимірювання орбітальних швидкостей зірок і міжзоряної речовини. Загальна маса Галактики становить близько $2 \times 10^{12}$ $M_{\text{Sun}}$ . Цілих 95% цієї маси складається з темної матерії, яка не випромінює електромагнітного випромінювання і може бути виявлена лише завдяки гравітаційній силі, яку вона чинить на видимі зірки і міжзоряну речовину. Ця темна матерія розташована здебільшого в ореолі Галактики; її природа в даний час недостатньо зрозуміла.

Глосарій

темна матерія: несвітиться маса, присутність якої можна зробити висновок тільки через її гравітаційного впливу на світиться матерію; склад темної матерії невідомий