Наша Галактика. Загадки Млечного пути
В какой-то степени мы знаем о далеких звездных системах больше, чем о нашей родной Галактике – Млечный Путь. Исследовать его структуру трудней, чем строение любых других галактик, потому как изучать ее приходится изнутри, и многое не так легко разглядеть. Межзвездные пылевые облака поглощают свет, излучаемый мириадами отдаленных звезд.
Только с развитием радиоастрономии и появлением инфракрасных телескопов ученые смогли понять, как устроена наша Галактика. Но многие детали остаются неясны и по сей день. Даже число звезд в Млечном Пути оценивается довольно приблизительно. Новейшие электронные справочники называют цифры от 100 до 300 миллиардов звезд.
Еще не так давно считалось, что у нашей Галактики имеются 4 больших рукава. Но в 2008 г. астрономы из Висконсинского университета опубликовали результаты обработки около 800 000 инфракрасных снимков, которые были сделаны космическим телескопом «Спитцер». Их анализ показал, что у Млечного Пути всего два рукава. Что до других рукавов, то они являются только узкими боковыми ответвлениями. Итак, Млечный Путь – это спиральная галактика с двумя рукавами. Следует отметить, у большинства известных нам спиральных галактик также только два рукава.
«Благодаря телескопу “Спитцер” мы имеем возможность заново переосмыслить структуру Млечного Пути, – подчеркнул астроном Роберт Бенджамин из Висконсинского университета, выступая на конференции Американского астрономического общества. – Мы уточняем наше представление о Галактике точно так же, как столетия назад первооткрыватели, совершая путешествия по земному шару, уточняли и переосмысливали прежние представления о том, как выглядит Земля».
С начала 90-х годов XX века, наблюдения, проводимые в инфракрасном диапазоне, все больше и больше меняют наши знания о структуре Млечного Пути, ведь инфракрасные телескопы дают возможность заглянуть сквозь газопылевые облака и увидеть то, что недоступно для обычных телескопов.
2004 год – возраст нашей Галактики был оценен в 13,6 миллиарда лет. Она возникла в скором времени после . Вначале это был диффузный газовый пузырь, содержавший в основном водород и гелий. Со временем он превратился в громадную спиральную галактику, в которой мы сейчас живем.
Общая характеристика
Но как протекала эволюция нашей Галактики? Как она формировалась – медленно или, напротив, очень быстро? Как она насыщалась тяжелыми элементами? Как изменялись за миллиарды лет форма Млечного Пути и его химический состав? Подробные ответы на эти вопросы еще предстоит дать ученым.
Протяженность нашей Галактики составляет около 100 000 световых лет, а средняя толщина галактического диска – около 3 000 световых лет (толщина выпуклой его части – балджа – достигает 16 000 световых лет). Впрочем, в 2008 г. австралийский астроном Брайан Генслер, проанализировав результаты наблюдений за пульсарами, предположил, что, вероятно, галактический диск в два раза толще, чем принято считать.
Велика или мала наша Галактика по космическим меркам? Для сравнения: протяженность туманности Андромеды, ближайшей к нам крупной галактики, составляет приблизительно 150 000 световых лет.
В конце 2008 г. исследователи установили методами радиоастрономии, что Млечный Путь вращается быстрей, чем предполагали ранее. Судя по этому показателю, его масса приблизительно в полтора раза выше, чем принято было считать. По разным оценкам, она варьируется от 1,0 до 1,9 триллиона солнечных масс. Опять же для сравнения: массу туманности Андромеды оценивают самое меньшее в 1,2 триллиона солнечных масс.
Строение галактик
Черная дыра
Итак, Млечный Путь не уступает по размерам туманности Андромеды. «Нам не следует больше относиться к нашей Галактике как к младшей сестре туманности Андромеды», – отметил астроном Марк Рейд из Смитсоновского центра астрофизики при Гарвардском университете. В то же время, поскольку масса нашей Галактике больше, чем предполагалось, сила ее притяжения также выше, а значит, возрастает и вероятность ее столкновения с другими галактиками, находящимися поблизости от нас.
Нашу Галактику окружает шаровидное гало, достигающее в поперечнике 165 000 световых лет. Астрономы порой называют гало «галактической атмосферой». Оно содержит примерно 150 шаровых скоплений, а также небольшое количество древних звезд. Все остальное пространство гало заполнено разреженным газом, а также темным веществом. Массу последнего оценивают приблизительно в триллион солнечных масс.
В спиральных рукавах Млечного Пути содержится огромное количество водорода. Именно здесь продолжают зарождаться звезды. Со временем молодые звезды покидают рукава галактик и «переселяются» в галактический диск. Впрочем, самые массивные и яркие звезды живут довольно недолго, потому не успевают удалиться от места своего рождения. Неслучайно рукава нашей Галактики так ярко светятся. Большая же часть Млечного Пути состоит из небольших, не очень массивных звезд.
Центральная часть Млечного Пути располагается в созвездии Стрельца. Эта область окружена темными газопылевыми облаками, за которыми нельзя ничего увидеть. Только начиная с 1950-х годов, используя средства радиоастрономии, ученые смогли постепенно рассмотреть то, что таится там. В этой части Галактики был обнаружен мощный радиоисточник, получивший название Стрелец А. Как показали наблюдения, здесь сосредоточена масса, превосходящая массу Солнца в несколько миллионов раз. Самое приемлемое объяснение этого факта возможно только одно: в центре нашей Галактики находится .
Сейчас она по каким-то причинам устроила себе передышку и не проявляет особой активности. Приток вещества сюда очень скуден. Может быть, со временем у черной дыры пробудится аппетит. Тогда она снова начнет поглощать окружившую ее пелену газа и пыли, и Млечный Путь пополнит список активных галактик. Возможно, что перед этим в центре Галактики начнут бурно зарождаться звезды. Подобные процессы, вероятно, регулярно повторяются.
2010 год – американские астрономы при помощи Космического телескопа имени Ферми, предназначенного для наблюдения за источниками гамма-излучения, обнаружили в нашей Галактике две загадочные структуры – два громадных пузыря, испускающих гамма-излучение. Диаметр каждого из них составляет в среднем 25 000 световых лет. Они разлетаются из центра Галактики в северном и южном направлениях. Может быть, речь идет о потоках частиц, которые испустила некогда черная дыра, находящаяся посредине Галактики. Другие исследователи считают, что речь идет о газовых облаках, взорвавшихся при зарождении звезд.
Вокруг Млечного Пути расположены несколько карликовых галактик. Самые известные из них – Большое и Малое Магеллановы Облака, которые связаны с Млечным Путем своего рода водородным мостом, огромным шлейфом газа, что тянется за этими галактиками. Он получил название «Магелланова потока». Его протяженность составляет около 300 000 световых лет. Наша Галактика постоянно поглощает ближайшие к ней карликовые галактики, в частности, галактику Сагитариуса, которая расположена на расстоянии 50 000 световых лет от галактического центра.
Остается добавить, что Млечный Путь и туманность Андромеды движутся навстречу друг другу. Предположительно через 3 миллиарда лет обе галактики сольются воедино, образовав более крупную эллиптическую галактику, которую уже назвали «Млечномедой».
Происхождение Млечного пути
Туманность Андромеды
На протяжении долгого времени считалось, что Млечный Путь формировался постепенно. 1962 год – Олин Эгген, Дональд Линден-Белл и Аллан Сендедж предложили гипотезу, которая стала известна, как модель ELS (ее назвали по начальным буквам их фамилий). Согласно ей, на месте Млечного Пути когда-то медленно вращалось однородное облако газа. Оно напоминало шар и достигало в поперечнике приблизительно 300 000 световых лет, а состояло в основном из водорода и гелия. Под действием гравитации протогалактика сжалась и стала плоской; при этом ее вращение заметно ускорилось.
Почти два десятка лет такая модель устраивала ученых. Но новые результаты наблюдений показали, что Млечный Путь не мог возникнуть так, как ему предписали теоретики.
Согласно этой модели, сначала образуется гало, а потом – галактический диск. Но в диске также встречаются очень древние звезды, к примеру, красный гигант Арктур, чей возраст больше 10-ти миллиардов лет, или многочисленные белые карлики того же возраста.
И в галактическом диске, и в гало обнаружены шаровые скопления, которые моложе, чем допускает модель ELS. Очевидно, они поглощены нашей Галактикой поздней.
Многие звезды в гало вращаются в другом направлении, нежели Млечный Путь. Может быть, они тоже находились когда-то за пределами Галактики, но потом были втянуты в этот «звездный вихрь» – словно случайный пловец в водоворот.
1978 год – Леонард Сирл и Роберт Цинн предложили свою модель становления Млечного Пути. Ее обозначили как «модель SZ». Теперь история Галактики заметно усложнилась. Еще не так давно ее молодость, в представлении астрономов, описывалась столь же просто, как во мнении физиков – прямолинейное поступательное движение. Механика происходящего была отчетливо видна: имелось однородное облако; оно состояло только из равномерно разлившегося газа. Ничто своим присутствием не усложняло расчеты теоретиков.
Теперь вместо одного огромного облака в видениях ученых возникли сразу несколько небольших, причудливо разбросанных облаков. Среди них виднелись и звезды; правда, они были расположены только в гало. Внутри гало все бурлило: облака сталкивались; газовые массы перемешивались и уплотнялись. С течением времени из этой смеси образовался галактический диск. В нем начали возникать новые звезды. Но и эту модель впоследствии раскритиковали.
Нельзя было понять, что связывало гало и галактический диск. Этот сгущавшийся диск и реденькая звездная оболочка вокруг него имели мало общего. Уже после того, как Сирл и Цинн составили свою модель, выяснилось, что гало вращается слишком медленно, чтобы из него образовался галактический диск. Судя по распределению химических элементов, последний возник из протогалактического газа. Наконец, момент количества движения диска оказался в 10 раз выше, чем гало.
Весь секрет в том, что обе модели содержат зерно истины. Вся беда в том, что они слишком простые и односторонние. Обе они кажутся теперь фрагментами одного и того же рецепта, по которому был сотворен Млечный Путь. Эгген и его коллеги прочитали несколько одних строк из этого рецепта, Сирл и Цинн – несколько других. Потому, пытаясь заново представить историю нашей Галактики, мы то и дело замечаем знакомые, уже читанные однажды строки.
Млечный путь. Компьютерная модель
Итак, все началось в скором времени после Большого взрыва. «Сегодня принято полагать, что флуктуации плотности темного вещества породили первые структуры – так называемые темные гало. Благодаря силе гравитации эти структуры не распадались», – отмечает немецкий астроном Андреас Буркерт, автор новой модели рождения Галактики.
Темные гало стали зародышами – ядрами – будущих галактик. Вокруг них под воздействием гравитации скапливался газ. Происходил однородный коллапс, как описывает его модель ELS. Уже спустя 500-1000 миллионов лет после Большого взрыва газовые скопления, окружавшие темные гало, стали «инкубаторами» звезд. Здесь появились небольшие протогалактики. В плотных облаках газа возникли первые шаровые скопления, ведь звезды здесь рождались в сотни раз чаще, чем где-либо еще. Протогалактики сталкивались и сливались друг с другом – так образовались крупные галактики, в том числе наш Млечный Путь. Сегодня он окружен темным веществом и гало, состоящим из одиночных звезд и их шаровых скоплений, этими руинами мироздания, чей возраст превышает 12 миллиардов лет.
В протогалактиках было много очень массивных звезд. Не прошло и нескольких десятков миллионов лет, как большинство из них взорвалось. Эти взрывы обогатили облака газа тяжелыми химическими элементами. Потому в галактическом диске рождались не такие звезды, как в гало, – они содержали в сотни раз больше металлов. Кроме этого, эти взрывы породили мощные галактические вихри, которые разогревали газ и выметали его за пределы протогалактик. Произошло разделение газовых масс и темного вещества. Это была важнейшая стадия формирования галактик, не учтенная прежде ни в одной модели.
Вместе с этим темные гало все чаще сталкивались друг с другом. Причем протогалактики вытягивались или распадались. Об этих катастрофах напоминают цепочки звезд, сохранившиеся в гало Млечного Пути со времен «юности». Изучая их расположение, возможно оценить события, которые происходили в ту эпоху. Постепенно из этих звезд образовалась обширная сфера – видимое нами гало. По мере остывания внутрь него проникали газовые облака. Их момент количества движения сохранялся, потому они не сжались в одну-единственную точку, а образовали вращающийся диск. Все это произошло более 12 миллиардов лет назад. Теперь газ сжимался так, как было описано в модели ELS.
В это время образуется и «балдж» Млечного Пути – его срединная часть, напоминающая эллипсоид. Балдж состоит из очень старых звезд. Вероятно, он возник при слиянии самых крупных протогалактик, дольше всего удерживавших газовые облака. Посреди него оказались нейтронные звезды и крохотные черные дыры – реликты взорвавшихся сверхновых звезд. Они сливались друг с другом, попутно поглощая потоки газа. Может быть, так зародилась огромная черная дыра, пребывающая ныне в центре нашей Галактики.
История Млечного Пути гораздо хаотичней, чем считали раньше. Наша родная Галактика, внушительная даже по космическим меркам, образовалась после череды ударов и слияний – после серии космических катастроф. Следы тех давних событий возможно обнаружить и сегодня.
Так, к примеру, не все звезды Млечного Пути обращаются вокруг галактического центра. Вероятно, за миллиарды лет своего существования наша Галактика «поглотила» немало попутчиков. Возраст каждой десятой звезды в галактическом гало – меньше 10-ти миллиардов лет. К тому времени Млечный Путь уже сформировался. Возможно, это – остатки захваченных некогда карликовых галактик. Группа английских ученых из Астрономического института (Кембридж) во главе с Джерардом Гилмором подсчитала, что Млечный Путь, очевидно, мог поглотить от 40 до 60 карликовых галактик типа Карина.
Кроме этого, Млечный Путь притягивает к себе огромные массы газа. Так, в 1958 г. нидерландские астрономы заметили в гало множество небольших пятен. На поверку они оказались газовыми облаками, которые состояли в основном из атомов водорода и мчались в сторону галактического диска.
Наша Галактика не умерит свой аппетит и впредь. Возможно, она поглотит ближайшие к нам карликовые галактики – Форнакс, Карину и, вероятно, Секстанс, а после сольется с туманностью Андромеды. Вокруг Млечного Пути – этого ненасытного «звездного каннибала» – станет еще пустынней.
Разделить на социальные группы, наша галактика Млечный Путь будет принадлежать к крепкому «среднему классу». Так, она относится к самому распространенному виду галактик, но в то же время не является средней по размеру или массе. Галактик, которые мельче Млечного Пути, больше чем тех, что крупнее его. Еще наш «звездный остров» обладает как минимум 14-ю спутниками - другими карликовыми галактиками. Они обречены кружить вокруг Млечного Пути, пока не будут им поглощены, или же не улетят прочь от межгалактического столкновения. Ну и пока что это единственное место, где наверняка существует жизнь - то есть мы с вами.
Но еще Млечный путь остается наиболее загадочной галактикой во Вселенной: находясь на самом краю «звездного острова», мы видим лишь часть из миллиардов его звезд. А галактики и вовсе невидимо - оно закрыто плотными рукавами звезд, газа и пыли. О фактах и тайнах Млечного Пути и пойдет сегодня речь.
> > > Сколько звезд в Млечном ПутиСколько звезд на территории галактики Млечный Путь : как определить количество, исследование телескопа Хаббл, структура спиральной галактики, методы наблюдения.
Если у вас есть возможность любоваться темным небом, тогда перед вами открывается невероятная звездная коллекция. Из любого места доступно для обзора 2500 звезд Млечного Пути без использования техники и 5800-8000, если под рукою припрятан бинокль или телескоп. Но это лишь малая часть их количества. Так, сколько звезд в галактике Млечный Путь ?
Ученые полагают, что общее число звезд в Млечном Пути колеблется от 100-400 миллиардов, хотя находятся и те, кто поднимает отметку до триллиона. Откуда такие различия? Дело в том, что нам открыт обзор изнутри и есть места, скрытые от земной зоны видимости.
Галактическая структура и её влияние на количество звезд
Начнем с того, что Солнечная система расположена в галактическом диске спирального типа, с протяжностью в 100000 световых лет. Мы отдалены от центра на 30000 световых лет. То есть, между нами и противоположной стороной находится огромная пропасть.
Дальше возникает еще одна сложность наблюдения. Одни звезды ярче других и порой их свет затмевает соседей. Наиболее отдаленные звезды, доступные невооруженным глазом, расположены на дистанции в 1000 световых лет. Млечный Путь переполнен ослепительными огнями, но многие из них скрываются за газовой и пылевой дымкой. Именно этот вытянутый след называют «молочным».
Наблюдению открыты звезды в нашем галактическом «районе». Представьте, что вы попали на вечеринку в помещение, где вся площадь забита людьми. Вы стоите в одном углу и вас просят назвать точное количество присутствующих. Но это не все. Один из гостей включает дымовую машину, и вся комната заполняется густым туманом, закрывая от вас всех, кто стоит дальше. А теперь считайте!
Методы визуализации количества звезд
Но паниковать не стоит, ведь всегда есть лазейки. Инфракрасные камеры позволяют пробраться сквозь пыль и дым. Среди подобных проектов можно вспомнить телескоп Спитцер, COBE, WISE и Германская космическая обсерватория.
Все они появились в последний десяток лет, чтобы изучить пространство в инфракрасных длинах волн. Это помогает отыскать скрытые звезды. Но и это не позволяет увидеть всего, поэтому ученые вынуждены производить расчеты и выдвигать предположительные цифры. Наблюдения начинаются со звездных орбит на галактическом диске. Благодаря этому вычисляется орбитальная скорость и период вращения (движения) Млечного Пути.
Выводы о том сколько звезд в Млечном Пути
На одно вращение вокруг галактического центра у Солнечной системы уходит 225-250 миллионов лет. То есть, скорость галактики – 600 км/с.
Далее определяется масса (гало темной материи – 90%) и высчитывается средняя масса (изучают массы и типы звезд). В итоге выходит, что средняя оценка количества звезд галактики Млечный Путь – 200-400 миллиардов небесных тел.
Будущие технологии позволят отыскать каждую звезду. Или же зонды смогут достигать невероятных расстояний и снимут галактику с «севера» – над центром. А пока мы можем полагаться только на математические расчеты.
Планета Земля, Солнечная система, миллиарды других звезд и небесных тел – все это наша галактика Млечный Путь — огромное межгалактическое образование, где все подчиняется законам гравитации. Данные о том, каковы истинные размеры галактики, являются только приблизительными. И самое интересное, что таких образований, больших или меньших, во Вселенной сотни, может быть даже тысячи.
Галактика Млечный Путь и что ее окружает
Все небесные тела, включая планеты Млечного пути, спутники, астероиды, кометы и звезды, постоянно находятся в движении. Рожденные в космическом вихре Большого взрыва, все эти объекты пребывают на пути своего развития. Одни имеют более древний возраст, другие — явно моложе.
Гравитационное образование вращается вокруг центра, при этом отдельные части галактики вращаются с разной скоростью. Если в центре скорость вращения галактического диска достаточно умеренная, то на периферии этот параметр достигает значений 200-250 км/с. На одном из этих участков, ближе к центру галактического диска, расположено Солнце. Расстояние от него до центра галактики составляет 25-28 тыс. световых лет. Полный оборот вокруг центральной оси гравитационного образования Солнце и Солнечная система совершают за 225-250 млн. лет. Соответственно, за всю историю своего существования Солнечная система только 30 раз облетела вокруг центра.
Место галактики во Вселенной
Следует отметить одну примечательную особенность. Положение Солнца и соответственно, планеты Земля очень удобно. В галактическом диске постоянно происходит процесс уплотнения. Вызван этот механизм несоответствием скорости вращения спиральных ветвей и движения звезд, которые перемещаются в пределах галактического диска по своим законам. Во время уплотнения происходят бурные процессы, сопровождающиеся мощным ультрафиолетовым излучением. Солнце и Земля уютно расположились в коротационной окружности, где подобная бурная деятельность отсутствует: между двумя спиральными ветвями на границе рукавов Млечного Пути — Стрельца и Персея. Этим объясняется и то спокойствие, в котором мы пребываем столь длительное время. Уже более 4,5 млрд. лет нас не затрагивают космические катаклизмы.
Строение галактики Млечный Путь
Галактический диск не однороден по своему составу. Как и другие спиральные гравитационные системы, Млечный Путь имеет три различаемых области:
- ядро, сформированное плотным звездным скоплением, насчитывающим миллиард звезд разного возраста;
- сам галактический диск, сформированный из скоплений звезд, звездного газа и пыли;
- корона, сферическое гало — область в которой располагаются шаровые скопления, карликовые галактики, отдельные группы звезд, космическая пыль и газ.
Вблизи плоскости галактического диска располагаются молодые звезды, собранные в скопления. Плотность звездных скоплений в центре диска выше. Вблизи центра плотность составляет 10000 звезд на один кубический парсек. В районе, где находится Солнечная система , плотность звезд составляет уже 1-2 светила на 16 кубических парсеков. Как правило, возраст этих небесных тел не более нескольких миллиардов лет.
Межзвездный газ также концентрируется вокруг плоскости диска, подчиняясь центробежным силам. Несмотря на постоянную скорость вращения спиральных ветвей, межзвездный газ распределен неравномерно, образуя большие и малые зоны облачности, туманности. Однако основным галактическим строительным материалом является темная материя. Ее масса преобладает над совокупной массой всех небесных тел, входящих в состав галактики Млечный Путь.
Если на схеме строение галактики достаточно понятно и прозрачное, то в реальности рассмотреть центральные области галактического диска практически невозможно. Газопылевые облака и скопления звездного газа скрывают от нашего взора свет из центра Млечного пути, в котором живет настоящий космический монстр — сверхмассивная черная дыра. Масса этого сверхгиганта составляет приблизительно 4,3 миллиона M☉. Рядом со сверхгигантом располагается черная дыра меньших размеров. Дополняют эту мрачную компанию сотни карликовых черных дыр. Черные дыры Млечного пути являются не только пожирателями звездной материи, но и выполняют функцию родильного дома, выбрасывая в пространство огромные сгустки протонов, нейтронов и электронов. Именно из них образуется атомарный водород — главное топливо звездного племени.
Перемычка — бар находится в области ядра галактики. Ее длина составляет 27 тыс. световых лет. Здесь царствуют старые звезды, красные гиганты, звездной материей которых питаются черные дыры. В этой области сконцентрирована основная часть молекулярного водорода, который выступает основным строительным материалом процесса звездообразования.
Геометрически структура галактики выглядит достаточно просто. Каждый спиральный рукав, а их у Млечного пути целых четыре, берет свое начало из газового кольца. Рукава расходятся под углом 20⁰. На внешних границах галактического диска основным элементом является атомарный водород, который распространяется от центра галактики к периферии. Толщина водородного слоя на окраинах Млечного пути значительно шире, чем в центре, при этом плотность его крайне низкая. Разряжению водородного слоя способствует воздействие карликовых галактик, которые неотлучно следуют с нашей галактикой на протяжении десятков миллиардов лет.
Теоретические модели нашей галактики
Еще древние астрономы пытались доказать, что видимая полоса на небосклоне — это часть огромного звездного диска, вращающегося вокруг своего центра. Этому утверждению способствовали проводимые математические подсчеты. Получить представление о нашей галактике удалось только спустя тысячи лет, когда в помощь науке пришли инструментальные методы исследования космоса. Прорывом в исследовании природы Млечного пути стала работа англичанина Уильяма Гершеля. В 1700 году он сумел опытным путем доказать, что наша галактика имеет форму диска.
Уже в наше время исследования приняли другой оборот. Ученые делали ставку на сравнении движения звезд, между которыми было разное расстояние. Методом параллакса Якоб Каптейн сумел примерно определить диаметр галактики, который по его расчетам составляет 60-70 тыс. световых лет. Соответственно было определено и место Солнца. Оказалось, что оно располагается сравнительно далеко от бушующего центра галактики и на приличном удалении от периферии Млечного пути.
Основополагающей теорией существования галактик является теория американского астрофизика Эдвина Хаббла. Ему принадлежит идея классифицировать все гравитационные образования, деля их на эллиптические галактики и образования спирального типа. Последние, спиральные галактики представляют самую обширную группу, в которую входят образования различных размеров. Крупнейшей из недавно открытых спиральных галактик является NGC 6872, диаметр которой превышает 552 тыс. световых лет.
Ожидаемое будущее и прогнозы
Галактика Млечный Путь выглядит компактным и упорядоченным гравитационным образованием. В отличие от своих соседей, в нашем межгалактическом доме довольно спокойно. Черные дыры планомерно воздействуют на галактический диск, уменьшая его в размерах. Этот процесс уже длится десятки миллиардов лет и сколько еще будет продолжаться — неизвестно. Единственная угроза, которая нависает над нашей галактикой, исходит от ее ближайшей соседки. Галактика Андромеда стремительно сближается с нами. Ученые предполагают, что столкновение двух гравитационных систем может произойти через 4,5 млрд. лет.
Подобная встреча-слияние будет означать конец того мира, в которм мы привыкли жить. Млечный Путь, меньший по размерам, будет поглощен более крупным образованием. Вместо двух крупных спиральных образований во Вселенной появится новая эллиптическая галактика. До этого времени наша галактика сумеет расправиться со своими спутниками. Две карликовые галактики — Большое и Малое Магеллановы Облака — Млечный Путь поглотит через 4 млрд. лет.
Если вам надоела реклама на этом сайте - скачайте наше мобильное приложение тут: https://play.google.com/store/apps/details?id=com.news.android.military или ниже, кликнув на логотип Google Play. Там мы уменьшили кол-во рекламных блоков специально для нашей постоянной аудитории.
Также в приложении:
- еще больше новостей
- обновление 24 часа в сутки
- уведомления о главных событиях
Если у вас возникли вопросы - оставляйте их в комментариях под статьей. Мы или наши посетители с радостью ответим на них
Люди с древних времен интересовались возрастом Вселенной. И хотя у нее нельзя спросить паспорт, чтобы посмотреть дату рождения, современная наука смогла ответить на этот вопрос. Правда, лишь совсем недавно.
Паспорт Вселенной Астрономы детально изучили раннюю биографию Вселенной. Но относительно ее точного возраста у них были сомнения, которые удалось развеять только в последние пару десятков лет
Алексей Левин
Мудрецы Вавилона и Греции считали мироздание вечным и неизменным, а индуистские хронисты в 150 году до н.э. определили, что ему в точности 1 972 949 091 год (кстати, по порядку величины они не сильно ошиблись!). В 1642 году английский теолог Джон Лайтфут путем скрупулезного анализа библейских текстов вычислил, что сотворение мира пришлось на 3929 год до н.э.; спустя несколько лет ирландский епископ Джеймс Ашер передвинул его на 4004 год. Основатели современной науки Иоганн Кеплер и Исаак Ньютон тоже не прошли мимо этой темы. Хотя они апеллировали не только к Библии, но и к астрономии, их результаты оказались похожими на вычисления богословов — 3993 и 3988 годы до н.э. В наше просвещенное время возраст Вселенной определяют иными способами. Чтобы увидеть их в исторической проекции, поначалу взглянем на собственную планету и ее космическое окружение.
Астрономы детально изучили раннюю биографию Вселенной. Но относительно ее точного возраста у них были сомнения, которые удалось развеять только в последние пару десятков лет.
Гадание по камням
Со второй половины XVIII века ученые начали оценивать возраст Земли и Солнца на основе физических моделей. Так, в 1787 году французский натуралист Жорж-Луи Леклерк пришел к выводу, что, если бы наша планета при рождении была шаром из расплавленного железа, ей нужно было бы от 75 до 168 тысяч лет, чтобы остыть до нынешней температуры. Через 108 лет ирландский математик и инженер Джон Перри заново просчитал тепловую историю Земли и определил ее возраст в 2−3 млрд лет. В самом начале XX столетия лорд Кельвин пришел к выводу, что если Солнце постепенно сжимается и светит исключительно за счет высвобождения гравитационной энергии, то его возраст (и, следовательно, максимальный возраст Земли и остальных планет) может составить несколько сотен миллионов лет. Но в то время геологи не смогли ни подтвердить, ни опровергнуть эти оценки из-за отсутствия надежных методов геохронологии.
В середине первого десятилетия ХХ века Эрнест Резерфорд и американский химик Бертрам Болтвуд разработали основы радиометрической датировки земных пород, которая показала, что Перри был много ближе к истине. В 1920-х были найдены образцы минералов, чей радиометрический возраст приближался к 2 млрд лет. Позднее геологи не раз повышали эту величину, и к настоящему времени она выросла более чем вдвое — до 4,4 млрд. Дополнительные данные предоставляет исследование «небесных камней» — метеоритов. Почти все радиометрические оценки их возраста укладываются в интервал 4,4−4,6 млрд лет.
Современная гелиосейсмология позволяет непосредственно определить и возраст Солнца, который, по последним данным, составляет 4,56 — 4,58 млрд лет. Поскольку продолжительность гравитационной конденсации протосолнечного облака исчислялась всего лишь миллионами лет, можно уверенно утверждать, что от начала этого процесса до наших дней прошло не более 4,6 млрд лет. При этом солнечное вещество содержит множество элементов тяжелее гелия, которые образовались в термоядерных топках массивных звезд прежних поколений, выгоревших и взорвавшихся сверхновыми. Это означает, что протяженность существования Вселенной сильно превышает возраст Солнечной системы. Чтобы определить меру этого превышения, нужно выйти сначала в нашу Галактику, а затем и за ее пределы.
Следуя за белыми карликами
Время жизни нашей Галактики можно определять разными способами, но мы ограничимся двумя самыми надежными. Первый метод основан на мониторинге свечения белых карликов. Эти компактные (примерно с Землю величиной) и изначально очень горячие небесные тела представляют собой конечную стадию жизни практически всех звезд за исключением самых массивных. Для превращения в белый карлик звезда должна полностью сжечь все свое термоядерное топливо и претерпеть несколько катаклизмов — например, на какое-то время стать красным гигантом.
Природные часы
Согласно радиометрической датировке, самыми старыми породами на Земле сейчас считаются серые гнейсы побережья Большого Невольничьего озера на северо-западе Канады — их возраст определен в 4,03 миллиарда лет. Еще раньше (4,4 миллиарда лет назад) кристаллизовались мельчайшие зерна минерала циркона, природного силиката циркония, найденные в гнейсах на западе Австралии. А раз в те времена уже существовала земная кора, наша планета должна быть несколько старше.
Что касается метеоритов, наиболее точную информацию дает датировка кальциево-алюминиевых вкраплений в веществе каменноугольных хондритовых метеоритов, которое практически не изменилось после его формирования из газо-пылевого облака, окружавшего новорожденное Солнце. Радиометрический возраст подобных структур в метеорите Ефремовка, найденном в 1962 году в Павлодарской области Казахстана, составляет 4 миллиарда 567 миллионов лет.
Типичный белый карлик почти полностью состоит из ионов углерода и кислорода, погруженных в вырожденный электронный газ, и имеет тонкую атмосферу, в составе которой доминируют водород или гелий. Его поверхностная температура составляет от 8 000 до 40 000 К, в то время как центральная зона нагрета до миллионов и даже десятков миллионов градусов. Согласно теоретическим моделям, могут также рождаться карлики, состоящие преимущественно из кислорода, неона и магния (в которые при определенных условиях превращаются звезды с массой от 8 до 10,5 или даже до 12 солнечных масс), однако их существование еще не доказано. Теория также утверждает, что звезды, как минимум вдвое уступающие Солнцу по массе, заканчивают жизнь в виде гелиевых белых карликов. Такие звезды очень многочисленны, однако они сжигают водород крайне медленно и посему живут многие десятки и сотни миллионов лет. Пока что им просто не хватило времени, чтоб исчерпать водородное горючее (очень немногочисленные гелиевые карлики, обнаруженные к настоящему времени, обитают в двойных системах и возникли совсем другим путем).
Коль скоро белый карлик не может поддерживать реакции термоядерного синтеза, он светит за счет накопленной энергии и потому медленно остывает. Темпы этого охлаждения можно вычислить и на этой основе определить время, потребное для снижения температуры поверхности от первоначальной (для типичного карлика это примерно 150 000 К) до наблюдаемой. Поскольку нас интересует возраст Галактики, следует искать самые долгоживущие, а потому и самые холодные белые карлики. Современные телескопы позволяют обнаружить внутригалактические карлики с температурой поверхности менее 4000 К, светимость которых в 30 000 раз уступает солнечной. Пока они не найдены — либо их нет вообще, либо очень мало. Отсюда следует, что наша Галактика не может быть старше 15 млрд лет, иначе они бы присутствовали в заметных количествах.
Для датирования горных пород используется анализ содержания в них продуктов распада различных радиоактивных изотопов. В зависимости от типа пород и сроков датирования используются различные пары изотопов.
Это верхняя граница возраста. А что можно сказать о нижней? Самые холодные из ныне известных белых карликов были зарегистрированы космическим телескопом «Хаббл» в 2002 и 2007 годах. Вычисления показали, что их возраст составляет 11,5 — 12 млрд лет. К этому еще нужно добавить возраст звезд-предшественниц (от полумиллиарда до миллиарда лет). Отсюда следует, что Млечный Путь никак не моложе 13 млрд лет. Так что окончательная оценка его возраста, полученная на основе наблюдения белых карликов, — примерно 13 — 15 млрд лет.
Шаровые свидетельства
Второй метод основан на исследовании шарообразных звездных скоплений, находящихся в периферийной зоне Млечного Пути и обращающихся вокруг его ядра. Они содержат от сотен тысяч до более чем миллиона звезд, связанных взаимным притяжением.
Шаровые скопления имеются практически во всех крупных галактиках, причем их количество порой достигает многих тысяч. Новые звезды там практически не рождаются, зато пожилые светила присутствуют в избытке. В нашей Галактике зарегистрировано около 160 таких шаровых скоплений, и, возможно, будут открыты еще два-три десятка. Механизмы их формирования не вполне ясны, однако, вероятнее всего, многие из них возникли вскоре после рождения самой Галактики. Поэтому датировка формирования древнейших шаровых скоплений позволяет установить и нижнюю границу галактического возраста.
Такая датировка весьма сложна технически, но в основе ее лежит очень простая идея. Все звезды скопления (от сверхмассивных до самых легких) образуются из одного итого же газового облака и потому рождаются практически одновременно. С течением времени они выжигают основные запасы водорода — одни раньше, другие позже. На этой стадии звезда покидает главную последовательность и претерпевает серию превращений, которые завершаются либо полным гравитационным коллапсом (за которым следует формирование нейтронной звезды или черной дыры), либо возникновением белого карлика. Поэтому изучение состава шарового скопления позволяет достаточно точно определить его возраст. Для надежной статистики число изученных скоплений должно составить не менее нескольких десятков.
Такую работу три года назад выполнила команда астрономов, пользовавшихся камерой ACS (Advanvced Camera for Survey) космического телескопа «Хаббл». Мониторинг 41 шарового скопления нашей Галактики показал, что их средний возраст составляет 12,8 млрд лет. Рекордсменами оказались скопления NGC 6937 и NGC 6752, удаленные от Солнца на 7200 и 13 000 световых лет. Они почти наверняка не моложе 13 млрд лет, причем наиболее вероятное время жизни второго скопления -13,4 млрд лет (правда, с погрешностью плюс-минус миллиард).
Звезды массы порядка солнечной по мере исчерпания запасов водорода разбухают и переходят в категорию красных карликов, после чего их гелиевое ядро при сжатии разогревается и начинается горение гелия. Через некоторое время звезда сбрасывают оболочку, образуя планетарную туманность, а потом переходит в категорию белых карликов и далее остывает.
Однако же наша Галактика должна быть постарше своих скоплений. Ее первые сверхмассивные звезды взрывались сверхновыми и выбрасывали в космос ядра многих элементов, в частности, ядра стабильного изотопа бериллия-бериллия-9. Когда начали формироваться шаровые скопления, их новорожденные звезды уже содержали бериллий, причем тем больше, чем позже они возникли. По содержанию бериллия в их атмосферах можно выяснить, насколько скопления моложе Галактики. Как свидетельствуют данные по скоплению NGC 6937, эта разница составляет 200 — 300 млн лет. Так что без большой натяжки можно сказать, что возраст Млечного Пути превышает 13 млрд лет и, возможно, достигает 13,3 — 13,4 млрд. Это практически такая же оценка, как и сделанная на основании наблюдения белых карликов, но получена она совершенно иным способом.
Закон Хаббла
Научная постановка вопроса о возрасте Вселенной стала возможной лишь в начале второй четверти прошлого века. В конце 1920-х годов Эдвин Хаббл и его ассистент Милтон Хьюмасон занялись уточнением расстояний до десятков туманностей за пределами Млечного Пути, которые лишь несколькими годами ранее стали считать самостоятельными галактиками.
Эти галактики удаляются от Солнца с радиальными скоростями, которые были измерены по величине красного смещения их спектров. Хотя дистанции до большинства таких галактик удалось определить с большой погрешностью, Хаббл все же выяснил, что они примерно пропорциональны радиальным скоростям, о чем и написал в статье, опубликованной в начале 1929 года. Два года спустя Хаббл и Хьюмасон подтвердили этот вывод на основании результатов наблюдений других галактик — некоторые из них отдалены более чем на 100 млн световых лет.
Эти данные легли в основу прославленной формулы v=H0d, известной как закон Хаббла. Здесь v — радиальная скорость галактики по отношению к Земле, d — расстояние, H0 — коэффициент пропорциональности, чья размерность, как легко видеть, обратна размерности времени (раньше его называли постоянной Хаббла, что неверно, поскольку в предшествующие эпохи величина H0 была иной, чем в наше время). Сам Хаббл и еще многие астрономы долгое время отказывались от предположений о физическом смысле этого параметра. Однако Жорж Леметр еще в 1927 году показал, что общая теория относительности позволяет интерпретировать разлет галактик как свидетельство расширения Вселенной. Четырьмя годами позже он имел смелость довести этот вывод до логического конца, выдвинув гипотезу, что Вселенная возникла из практически точечного зародыша, который он, за неимением лучшего термина, назвал атомом. Этот первородный атом мог пребывать в статичном состоянии любое время вплоть до бесконечности, однако его «взрыв» породил расширяющееся пространство, заполненное материей и излучением, которое за конечное время дало начало нынешней Вселенной. Уже в своей первой статье Леметр вывел полный аналог хаббловской формулы и, располагая известными к тому времени данными о скоростях и дистанциях ряда галактик, получил примерно такое же значение коэффициента пропорциональности между дистанциями и скоростями, что и Хаббл. Однако его статья была напечатана на французском языке в малоизвестном бельгийском журнале и поначалу осталась незамеченной. Большинству астрономов она стала известна лишь в 1931 году после публикации ее английского перевода.
Эволюция Вселенной определяется начальной скоростью ее расширения, а также воздействием гравитации (в том числе темной материи) и антигравитации (темной энергии). В зависимости от соотношения между этим факторами график размера Вселенной имеет разную форму и в будущем, и в прошлом, что влияет на оценку ее возраста. Текущие наблюдения показывают, что Вселенная расширяется экспоненциально (красный график).
Хаббловское время
Из этой работы Леметра и более поздних трудов как самого Хаббла, так и других космологов прямо следовало, что возраст Вселенной (естественно, отсчитанный от начального момента ее расширения) зависит от величины 1/H0, которую теперь называют хаббловским временем. Характер этой зависимости определяется конкретной моделью мироздания. Если считать, что мы живем в плоской Вселенной, заполненной гравитирующим веществом и излучением, то для вычисления ее возраста 1/H0 надо умножить на 2/3.
Тут-то и возникла загвоздка. Из измерений Хаббла и Хьюмасона вытекало, что численная величина 1/H0 приблизительно равна 1,8 млрд лет. Отсюда следовало, что Вселенная родилась 1,2 млрд лет назад, что явно противоречило даже сильно заниженным в то время оценкам возраста Земли. Из этого затруднения можно было выпутаться, предположив, что галактики разлетаются медленнее, чем считал Хаббл. Со временем это допущение подтвердилось, но проблемы так и не решило. Согласно данным, полученным к концу прошлого века с помощью оптической астрономии, 1/H0 составляет от 13 до 15 млрд лет. Так что расхождение все же оставалось, поскольку пространство Вселенной как считалось, так и считается плоским, а две трети хаббловского времени сильно меньше даже самых скромных оценок возраста Галактики.
Пустой мир
Согласно последним измерениям параметра Хаббла нижняя граница хаббловского времени составляет 13,5 миллиардов лет, а верхняя — 14 миллиардов. Получается, что нынешний возраст Вселенной примерно равен нынешнему хаббловскому времени. Такое равенство должно строго и неизменно соблюдаться для абсолютно пустой Вселенной, где нет ни гравитируюшей материи, ни антигравитирующих полей. Но ведь в нашем мире хватает и того, и другого. Дело в том, что пространство сначала расширялось с замедлением, потом скорость его расширения стала расти, и в нынешнюю эпоху эти противоположные тенденции почти скомпенсировали друг друга.
В общем виде это противоречие было устранено в 1998 — 1999 годах, когда две команды астрономов доказали, что последние 5 — 6 млрд лет космическое пространство расширяется не с падающей, а возрастающей скоростью. Это ускорение обычно объясняют тем, что в нашей Вселенной растет влияние антигравитационного фактора, так называемой темной энергии, плотность которой не изменяется со временем. Поскольку плотность гравитирующей материи падает по мере расширения Космоса, темная энергия все успешней конкурирует с тяготением. Продолжительность существования Вселенной с антигравитационной компонентой вовсе не обязана быть равной двум третям хаббловского времени. Поэтому открытие ускоряющегося расширения Вселенной (отмеченное в 2011 году Нобелевской премией) позволило устранить расстыковку между космологическими и астрономическими оценками времени ее жизни. Оно также стало прелюдией к разработке нового метода датировки ее рождения.
Космические ритмы
30 июня 2001 года NASA отправило в космос зонд Explorer 80, через два года переименованный в WMAP, Wilkinson Microwave Anisotropy Probe. Его аппаратура позволила регистрировать температурные флуктуации микроволнового реликтового излучения с угловым разрешением менее трех десятых градуса. Тогда уже было известно, что спектр этого излучения почти полностью совпадает со спектром идеального черного тела, нагретого до 2,725 К, а колебания его температуры при «крупнозернистых» измерениях с угловым разрешением в 10 градусов не превышают 0,000036 К. Однако на «мелкозернистой» шкале зонда WMAP амплитуды таких флуктуаций были в шесть раз больше (около 0,0002 К). Реликтовое излучение оказалось пятнистым, тесно испещренным чуть более и чуть менее нагретыми участками.
Флуктуации реликтового излучения порождены колебаниями плотности электронно-фотонного газа, который некогда заполнял космическое пространство. Она упала почти до нуля приблизительно через 380 000 лет после Большого взрыва, когда практически все свободные электроны соединились с ядрами водорода, гелия и лития и тем самым положили начало нейтральным атомам. Пока этого не произошло, в электронно-фотонном газе распространялись звуковые волны, на которые влияли гравитационные поля частиц темной материи. Эти волны, или, как говорят астрофизики, акустические осцилляции, наложили отпечаток на спектр реликтового излучения. Этот спектр можно расшифровать при помощи теоретического аппарата космологии и магнитной гидродинамики, что дает возможность по‑новому оценить возраст Вселенной. Как показывают новейшие вычисления, его наиболее вероятная протяженность составляет 13,72 млрд лет. Она и считается сейчас стандартной оценкой времени жизни Вселенной. Если принять во внимание все возможные неточности, допуски и приближения, можно заключить, что, согласно результатам зонда WMAP, Вселенная существует от 13,5 до 14 млрд лет.
Таким образом, астрономы, оценивая возраст Вселенной тремя различными способами, получили вполне совместимые результаты. Поэтому теперь мы знаем (или, выражаясь осторожней, думаем, что знаем), когда возникло наше мироздание — во всяком случае, с точностью до нескольких сотен миллионов лет. Вероятно, потомки внесут решение этой вековой загадки в перечень самых замечательных достижений астрономии и астрофизики.
