Нашата Галактика. Загадките на Млечния път
До известна степен знаем повече за далечните звездни системи, отколкото за нашата родна Галактика - Млечния път. По-трудно е да се изследва нейната структура, отколкото структурата на всяка друга галактика, защото тя трябва да се изучава отвътре и много неща не се виждат толкова лесно. Междузвездните облаци прах поглъщат светлината, излъчвана от безброй далечни звезди.
Едва с развитието на радиоастрономията и появата на инфрачервените телескопи учените успяха да разберат как работи нашата Галактика. Но много подробности остават неясни и до днес. Дори броят на звездите в Млечния път се оценява доста грубо. Най-новите електронни справочници дават цифри от 100 до 300 милиарда звезди.
Не толкова отдавна се смяташе, че нашата Галактика има 4 големи ръкава. Но през 2008 г. астрономи от университета на Уисконсин публикуваха резултатите от обработката на около 800 000 инфрачервени изображения, направени от космическия телескоп Spitzer. Техният анализ показа, че Млечният път има само два ръкава. Що се отнася до другите клони, те са само тесни странични клони. И така, Млечният път е спирална галактика с два ръкава. Трябва да се отбележи, че повечето известни ни спирални галактики също имат само два ръкава.
„Благодарение на телескопа Spitzer имаме възможност да преосмислим структурата на Млечния път“, каза астрономът Робърт Бенджамин от Университета на Уисконсин, говорейки на конференция на Американското астрономическо общество. „Ние усъвършенстваме нашето разбиране за Галактиката по същия начин, по който преди векове пионерите, пътуващи по света, усъвършенстваха и преосмислиха предишни идеи за това как изглежда Земята.“
От началото на 90-те години на 20-ти век наблюденията, извършвани в инфрачервения диапазон, все повече променят познанията ни за структурата на Млечния път, тъй като инфрачервените телескопи позволяват да се гледа през облаци газ и прах и да се види това, което е недостъпно за конвенционалните телескопи .
2004 г. – Възрастта на нашата галактика е оценена на 13,6 милиарда години. Възникна малко след това. Първоначално това беше дифузен газов мехур, съдържащ главно водород и хелий. С течение на времето тя се превърна в огромната спирална галактика, в която живеем сега.
основни характеристики
Но как е протекла еволюцията на нашата Галактика? Как се формира - бавно или, напротив, много бързо? Как се насити с тежки елементи? Как се е променила формата на Млечния път и неговият химически състав в продължение на милиарди години? Учените все още не са дали подробни отговори на тези въпроси.
Обхватът на нашата Галактика е около 100 000 светлинни години, а средната дебелина на галактическия диск е около 3000 светлинни години (дебелината на изпъкналата му част, изпъкналостта, достига 16 000 светлинни години). Въпреки това през 2008 г. австралийският астроном Брайън Генслер, след като анализира резултатите от наблюденията на пулсари, предположи, че галактическият диск вероятно е два пъти по-дебел, отколкото обикновено се смята.
Дали нашата Галактика е голяма или малка според космическите стандарти? За сравнение, мъглявината Андромеда, нашата най-близка голяма галактика, е приблизително 150 000 светлинни години в диаметър.
В края на 2008 г. изследователи установиха с помощта на радиоастрономически методи, че Млечният път се върти по-бързо, отколкото се смяташе досега. Съдейки по този показател, масата му е приблизително един и половина пъти по-голяма, отколкото обикновено се смяташе. Според различни оценки тя варира от 1,0 до 1,9 трилиона слънчеви маси. Отново за сравнение: масата на мъглявината Андромеда се оценява на поне 1,2 трилиона слънчеви маси.
Структура на галактиките
Черна дупка
Така че Млечният път не е по-малък по размер от мъглявината Андромеда. „Повече не трябва да мислим за нашата Галактика като за малката сестра на мъглявината Андромеда“, каза астрономът Марк Рийд от Смитсоновия център за астрофизика към Харвардския университет. В същото време, тъй като масата на нашата Галактика е по-голяма от очакваната, нейната гравитационна сила също е по-голяма, което означава, че вероятността тя да се сблъска с други галактики в близост до нас се увеличава.
Нашата Галактика е заобиколена от сферичен ореол, достигащ диаметър от 165 000 светлинни години. Астрономите понякога наричат ореола „галактическа атмосфера“. Съдържа приблизително 150 кълбовидни купа, както и малък брой древни звезди. Останалата част от пространството на ореола е изпълнено с разреден газ, както и с тъмна материя. Масата на последния се оценява на приблизително трилион слънчеви маси.
Спиралните ръкави на Млечния път съдържат огромни количества водород. Това е мястото, където звездите продължават да се раждат. С течение на времето младите звезди напускат рамената на галактиките и се „преместват“ в галактическия диск. Най-масивните и ярки звезди обаче не живеят достатъчно дълго, така че нямат време да се отдалечат от мястото си на раждане. Неслучайно ръкавите на нашата Галактика светят толкова ярко. По-голямата част от Млечния път се състои от малки, не много масивни звезди.
Централната част на Млечния път се намира в съзвездието Стрелец. Тази зона е заобиколена от тъмни облаци газ и прах, зад които не се вижда нищо. Едва от 50-те години на миналия век, използвайки радиоастрономията, учените успяват постепенно да различат какво се крие там. В тази част на Галактиката е открит мощен радиоизточник, наречен Стрелец А. Както показват наблюденията, тук е концентрирана маса, която надвишава масата на Слънцето няколко милиона пъти. Най-приемливото обяснение за този факт е само едно: в центъра на нашата Галактика се намира.
Сега по някаква причина си е взела почивка за себе си и не е особено активна. Потокът на материята тук е много слаб. Може би с течение на времето черната дупка ще развие апетит. Тогава тя отново ще започне да абсорбира завесата от газ и прах, която я заобикаля, и Млечният път ще се присъедини към списъка на активните галактики. Възможно е преди това звездите да започнат бързо да се образуват в центъра на Галактиката. Подобни процеси вероятно ще се повтарят редовно.
2010 г. - Американски астрономи, използвайки космическия телескоп Ферми, предназначен да наблюдава източници на гама лъчение, откриха две мистериозни структури в нашата Галактика - два огромни мехура, излъчващи гама лъчение. Диаметърът на всяка от тях е средно 25 000 светлинни години. Те отлитат от центъра на Галактиката в северна и южна посока. Може би говорим за потоци от частици, които някога са били излъчени от черна дупка, разположена в средата на Галактиката. Други изследователи смятат, че става дума за газови облаци, избухнали по време на раждането на звездите.
Около Млечния път има няколко галактики джуджета. Най-известните от тях са Големият и Малкият Магеланов облак, които са свързани с Млечния път чрез своеобразен водороден мост, огромен стълб от газ, който се простира зад тези галактики. Наричаха го Магелановия поток. Обхватът му е около 300 000 светлинни години. Нашата Галактика постоянно поглъща най-близките до нея галактики джуджета, по-специално галактиката Стрелец, която се намира на разстояние 50 000 светлинни години от галактическия център.
Остава да добавим, че Млечният път и мъглявината Андромеда се движат една към друга. Предполага се, че след 3 милиарда години и двете галактики ще се слеят заедно, образувайки по-голяма елиптична галактика, която вече е наречена Milkyhoney.
Произход на Млечния път
Мъглявината на Андромеда
Дълго време се смяташе, че Млечният път се формира постепенно. 1962 г. - Олин Еген, Доналд Линден-Бел и Алън Сандидж предлагат хипотеза, която става известна като ELS модел (наречен на началните букви на техните фамилни имена). Според него хомогенен облак от газ някога бавно се е въртял на мястото на Млечния път. Тя приличаше на топка и достигаше приблизително 300 000 светлинни години в диаметър и се състоеше главно от водород и хелий. Под въздействието на гравитацията протогалактиката се сви и стана плоска; в същото време въртенето му значително се ускори.
В продължение на почти две десетилетия този модел отговаряше на учените. Но новите резултати от наблюденията показват, че Млечният път не би могъл да възникне по начина, по който теоретиците предсказаха.
Според този модел първо се образува ореол, а след това галактически диск. Но дискът съдържа и много древни звезди, например червеният гигант Арктур, чиято възраст е повече от 10 милиарда години, или множество бели джуджета на същата възраст.
Кълбовидни купове са открити както в галактическия диск, така и в ореола, които са по-млади, отколкото позволява моделът ELS. Очевидно те са погълнати от нашата късна Галактика.
Много звезди в ореола се въртят в различна посока от Млечния път. Може би и те някога са били извън Галактиката, но след това са били привлечени в този „звезден вихър“ - като случаен плувец във водовъртеж.
1978 г. - Леонард Сърл и Робърт Зин предлагат своя модел за образуването на Млечния път. Беше обозначен като "Модел SZ". Сега историята на Галактиката стана забележимо по-сложна. Не толкова отдавна младостта му, според астрономите, беше описана толкова просто, колкото и според физиците - праволинейно транслационно движение. Механизмът на случващото се беше ясно видим: имаше хомогенен облак; той се състоеше само от равномерно разпръснат газ. Нищо от присъствието му не усложни изчисленията на теоретиците.
Сега вместо един огромен облак във виденията на учените се появиха няколко малки, сложно разпръснати облака наведнъж. Сред тях се виждаха звезди; те обаче се намираха само в ореола. Вътре в ореола всичко кипеше: облаци се сблъскаха; газовите маси бяха смесени и уплътнени. С течение на времето от тази смес се образува галактически диск. В него започнаха да се появяват нови звезди. Но този модел впоследствие беше критикуван.
Беше невъзможно да се разбере какво свързва ореола и галактическия диск. Този кондензиран диск и рядката звездна обвивка около него нямаха много общо. След като Searle и Zinn съставиха своя модел, се оказа, че ореолът се върти твърде бавно, за да образува галактически диск. Съдейки по разпределението на химичните елементи, последните са възникнали от протогалактичен газ. Накрая ъгловият момент на диска се оказа 10 пъти по-висок от ореола.
Цялата тайна е, че и двата модела съдържат зрънце истина. Проблемът е, че те са твърде прости и едностранчиви. И двете сега изглеждат като фрагменти от една и съща рецепта, която е създала Млечния път. Еген и колегите му прочетоха няколко реда от тази рецепта, Сърл и Зин прочетоха няколко други. Затова, опитвайки се да си представим отново историята на нашата Галактика, от време на време забелязваме познати редове, които вече сме чели веднъж.
Млечен път. Компютърен модел
Така че всичко започна малко след Големия взрив. „Днес е общоприето, че флуктуациите в плътността на тъмната материя са довели до първите структури - така наречените тъмни ореоли. Благодарение на силата на гравитацията тези структури не се разпаднаха“, отбелязва германският астроном Андреас Буркерт, автор на нов модел на раждането на Галактиката.
Тъмните ореоли станаха ембриони - ядра - на бъдещи галактики. Около тях под въздействието на гравитацията се натрупваше газ. Възникна хомогенен колапс, както е описано от модела ELS. Вече 500-1000 милиона години след Големия взрив газовите натрупвания около тъмните ореоли се превърнаха в „инкубатори“ на звезди. Тук се появиха малки протогалактики. Първите кълбовидни купове са възникнали в гъсти облаци от газ, защото звездите са се раждали тук стотици пъти по-често, отколкото където и да било другаде. Протогалактиките са се сблъсквали и сливали помежду си - така са се образували големи галактики, включително нашият Млечен път. Днес той е заобиколен от тъмна материя и ореол от единични звезди и техните кълбовидни купове, руини на вселена на повече от 12 милиарда години.
В протогалактиките имаше много много масивни звезди. Изминаха по-малко от няколко десетки милиона години, преди повечето от тях да експлодират. Тези експлозии обогатиха газовите облаци с тежки химически елементи. Следователно звездите, които са се родили в галактическия диск, не са били същите като в ореола - те са съдържали стотици пъти повече метали. В допълнение, тези експлозии генерират мощни галактически вихри, които нагряват газа и го отвеждат отвъд протогалактиките. Възникна разделяне на газови маси и тъмна материя. Това беше най-важният етап от формирането на галактиките, който преди това не беше взет предвид в нито един модел.
В същото време тъмните ореоли все повече се сблъскват един с друг. Освен това протогалактиките се разтягаха или разпадаха. Тези катастрофи напомнят веригите от звезди, запазени в ореола на Млечния път от дните на „младостта“. Чрез изучаване на тяхното местоположение е възможно да се преценят събитията, които са се случили през тази епоха. Постепенно тези звезди образуват огромна сфера - ореолът, който виждаме. Докато се охлаждаше, газови облаци проникнаха вътре в него. Техният ъглов импулс беше запазен, така че те не се свиха в една единствена точка, а образуваха въртящ се диск. Всичко това се е случило преди повече от 12 милиарда години. Сега газът беше компресиран, както е описано в модела ELS.
По това време се формира „издутината“ на Млечния път - средната му част, напомняща на елипсоид. Издутината е съставена от много стари звезди. Вероятно е възникнал по време на сливането на най-големите протогалактики, които са задържали газови облаци за най-дълго време. В средата му имаше неутронни звезди и малки черни дупки - реликви от експлодиращи свръхнови. Те се сливаха един с друг, като едновременно поглъщаха газови потоци. Може би така се е родила огромната черна дупка, която сега се намира в центъра на нашата Галактика.
Историята на Млечния път е много по-хаотична, отколкото се смяташе досега. Нашата родна Галактика, впечатляваща дори по космически стандарти, се е образувала след поредица от удари и сливания - след поредица от космически катастрофи. Следи от тези древни събития могат да бъдат намерени и днес.
Например, не всички звезди в Млечния път се въртят около галактическия център. Вероятно през милиардите години на своето съществуване нашата Галактика е „погълнала“ много спътници. Всяка десета звезда в галактическия ореол е на възраст под 10 милиарда години. По това време Млечният път вече се е формирал. Може би това са останките от някога уловени галактики джуджета. Група английски учени от Астрономическия институт (Кеймбридж), ръководени от Джерард Гилмор, изчислиха, че Млечният път очевидно може да погълне от 40 до 60 галактики джуджета от типа Карина.
Освен това Млечният път привлича огромни маси газ. Така през 1958 г. холандски астрономи забелязват много малки петна в ореола. Всъщност те се оказаха газови облаци, които се състоят главно от водородни атоми и се устремяват към галактическия диск.
Нашата Галактика няма да сдържа апетита си и в бъдеще. Може би ще погълне най-близките до нас галактики джуджета - Fornax, Carina и, вероятно, Sextans, и след това ще се слее с мъглявината Андромеда. Около Млечния път – този ненаситен „звезден канибал” – ще стане още по-пусто.
Разделена на социални групи, нашата галактика Млечен път ще принадлежи към силна „средна класа“. Така тя принадлежи към най-често срещания тип галактика, но в същото време не е средна по размер или маса. Галактиките, които са по-малки от Млечния път, са по-големи от тези, които са по-големи от него. Нашият „звезден остров“ също има поне 14 спътника - други галактики джуджета. Те са обречени да кръжат около Млечния път, докато не бъдат погълнати от него или отлетят от междугалактически сблъсък. Е, засега това е единственото място, където вероятно съществува живот - тоест ти и аз.
Но Млечният път остава най-мистериозната галактика във Вселената: намирайки се на самия край на „звездния остров“, ние виждаме само част от неговите милиарди звезди. А галактиката е напълно невидима – покрита е с плътни ръкави от звезди, газ и прах. Днес ще говорим за фактите и тайните на Млечния път.
> >> Колко звезди има в Млечния пътКолко звезди има в галактиката Млечен път?: как да се определи числото, изследване на телескоп Хъбъл, структура на спирална галактика, методи за наблюдение.
Ако имате възможност да се любувате на тъмното небе, тогава имате невероятна колекция от звезди пред вас. От всяко място можете да видите 2500 звезди от Млечния път без използването на технологии и 5800-8000, ако имате скрит под ръка бинокъл или телескоп. Но това е само малка част от техния брой. Така, колко звезди има в галактиката Млечен път?
Учените смятат, че общият брой на звездите в Млечния път варира от 100-400 милиарда, въпреки че има и такива, които достигат трилиона. Защо такива разлики? Факт е, че имаме открит изглед отвътре и има места, скрити от зоната на видимост на земята.
Галактическата структура и нейното влияние върху броя на звездите
Нека започнем с факта, че Слънчевата система е разположена в спираловиден галактически диск с дължина 100 000 светлинни години. Ние сме на 30 000 светлинни години от центъра. Тоест има огромна пропаст между нас и отсрещната страна.
Тогава възниква друга трудност при наблюдението. Някои звезди са по-ярки от други и понякога тяхната светлина засенчва техните съседи. Най-далечните звезди, видими с просто око, се намират на разстояние от 1000 светлинни години. Млечният път е пълен с ослепителни светлини, но много от тях са скрити зад мъгла от газ и прах. Именно тази удължена следа се нарича "мляко".
Звездите в нашия галактически „регион“ са отворени за наблюдение. Представете си, че сте на парти в стая, където цялата зона е пълна с хора. Заставате в единия ъгъл и сте помолени да посочите точния брой присъстващи. Но това не е всичко. Един от гостите включва машината за дим и цялата стая се изпълва с гъста мъгла, блокирайки всички, които стоят по-далеч от вас. Сега пребройте!
Методи за визуализиране на броя на звездите
Но няма място за паника, защото винаги има вратички. Инфрачервените камери ви позволяват да преминавате през прах и дим. Подобни проекти включват телескопа Spitzer, COBE, WISE и Германската космическа обсерватория.
Всички те са се появили през последните десет години, за да изучават космоса при инфрачервени дължини на вълните. Това помага да се намерят скрити звезди. Но дори и това не ни позволява да видим всичко, така че учените са принудени да правят изчисления и да представят спекулативни цифри. Наблюденията започват от звездните орбити на галактическия диск. Благодарение на това се изчисляват орбиталната скорост и периодът на въртене (движение) на Млечния път.
Изводи за това колко звезди има в Млечния път
На Слънчевата система са необходими 225-250 милиона години, за да извърши едно завъртане около галактическия център. Тоест скоростта на галактиката е 600 км/с.
След това се определя масата (ореол на тъмната материя - 90%) и се изчислява средната маса (изследват се масите и видовете звезди). В резултат на това се оказва, че средната оценка на броя на звездите в галактиката Млечен път е 200-400 милиарда небесни тела.
Бъдещите технологии ще направят възможно намирането на всяка звезда. Или сонди ще могат да достигнат невероятни разстояния и да снимат галактиката от „север” - над центъра. Засега можем да разчитаме само на математически изчисления.
Планетата Земя, Слънчевата система, милиарди други звезди и небесни тела - всичко това е нашата галактика Млечен път - огромно междугалактическо образувание, където всичко се подчинява на законите на гравитацията. Данните за истинския размер на галактиката са само приблизителни. И най-интересното е, че във Вселената има стотици, може би дори хиляди такива образувания, по-големи или по-малки.
Галактиката Млечен път и това, което я заобикаля
Всички небесни тела, включително планетите от Млечния път, спътниците, астероидите, кометите и звездите, са в постоянно движение. Родени в космическия вихър на Големия взрив, всички тези обекти са на пътя на своето развитие. Някои са по-стари, други са явно по-млади.
Гравитационното образувание се върти около центъра, като отделните части на галактиката се въртят с различна скорост. Ако в центъра скоростта на въртене на галактическия диск е доста умерена, то в периферията този параметър достига стойности от 200-250 km/s. Слънцето се намира в една от тези области, по-близо до центъра на галактическия диск. Разстоянието от него до центъра на галактиката е 25-28 хиляди светлинни години. Слънцето и Слънчевата система извършват пълен оборот около централната ос на гравитационната формация за 225-250 милиона години. Съответно за цялата история на съществуването си Слънчевата система е обиколила центъра само 30 пъти.
Място на галактиката във Вселената
Трябва да се отбележи една забележителна характеристика. Положението на Слънцето и съответно на планетата Земя е много удобно. Галактическият диск непрекъснато е подложен на процес на уплътняване. Този механизъм се дължи на несъответствието между скоростта на въртене на спиралните клони и движението на звездите, които се движат в галактическия диск според собствените си закони. По време на уплътняването протичат бурни процеси, придружени от мощно ултравиолетово лъчение. Слънцето и Земята са удобно разположени в ротационния кръг, където липсва такава енергична активност: между два спирални клона на границата на ръкавите на Млечния път - Стрелец и Персей. Това обяснява спокойствието, в което сме толкова дълго време. Повече от 4,5 милиарда години не сме били засегнати от космически бедствия.
Структура на галактиката Млечен път
Галактическият диск не е еднороден по състав. Подобно на други спирални гравитационни системи, Млечният път има три различими области:
- ядро, образувано от плътен звезден куп, съдържащ милиард звезди на различна възраст;
- самият галактически диск, образуван от клъстери от звезди, звезден газ и прах;
- корона, сферичен ореол - областта, в която се намират кълбовидни купове, галактики джуджета, отделни групи звезди, космически прах и газ.
В близост до равнината на галактическия диск има млади звезди, събрани в купове. Плътността на звездните купове в центъра на диска е по-висока. Близо до центъра плътността е 10 000 звезди на кубичен парсек. В района, където се намира Слънчевата система, плътността на звездите вече е 1-2 звезди на 16 кубически парсека. По правило възрастта на тези небесни тела е не повече от няколко милиарда години.
Междузвездният газ също се концентрира около равнината на диска, подложен на центробежни сили. Въпреки постоянната скорост на въртене на спиралните разклонения, междузвездният газ се разпределя неравномерно, образувайки големи и малки зони от облаци и мъглявини. Основният галактически строителен материал обаче е тъмната материя. Масата му преобладава над общата маса на всички небесни тела, които съставляват галактиката Млечен път.
Ако на диаграмата структурата на галактиката е доста ясна и прозрачна, тогава в действителност е почти невъзможно да се изследват централните области на галактическия диск. Газови и прахови облаци и клъстери от звезден газ скриват от погледа ни светлината от центъра на Млечния път, в който живее истинско космическо чудовище - супермасивна черна дупка. Масата на този свръхгигант е приблизително 4,3 милиона M☉. До свръхгиганта има по-малка черна дупка. Тази мрачна компания се допълва от стотици черни дупки джуджета. Черните дупки на Млечния път не само поглъщат звездна материя, но действат и като родилен дом, изхвърляйки огромни групи протони, неутрони и електрони в космоса. Именно от тях се образува атомният водород – основното гориво на звездното племе.
Джъмперът се намира в района на галактическото ядро. Дължината му е 27 хиляди светлинни години. Тук царуват стари звезди, червени гиганти, чиято звездна материя храни черни дупки. По-голямата част от молекулярния водород е концентриран в тази област, която действа като основен строителен материал за процеса на образуване на звезди.
Геометрично структурата на галактиката изглежда доста проста. Всеки спирален ръкав, а има четири от тях в Млечния път, произхожда от газов пръстен. Ръкавите се разминават под ъгъл 20⁰. Във външните граници на галактическия диск основният елемент е атомният водород, който се разпространява от центъра на галактиката към периферията. Дебелината на водородния слой в покрайнините на Млечния път е много по-широка, отколкото в центъра, докато плътността му е изключително ниска. Изхвърлянето на водородния слой се улеснява от влиянието на галактиките джуджета, които следват отблизо нашата галактика от десетки милиарди години.
Теоретични модели на нашата галактика
Дори древните астрономи се опитаха да докажат, че видимата ивица в небето е част от огромен звезден диск, въртящ се около центъра си. Това твърдение беше подкрепено от извършените математически изчисления. Беше възможно да се получи представа за нашата галактика само хиляди години по-късно, когато инструменталните методи за изследване на космоса дойдоха на помощ на науката. Пробив в изследването на природата на Млечния път е работата на англичанина Уилям Хершел. През 1700 г. той успява експериментално да докаже, че нашата галактика има формата на диск.
Вече в наше време изследванията взеха различен ход. Учените разчитат на сравняване на движенията на звезди, между които има различни разстояния. Използвайки метода на паралакса, Джейкъб Каптейн успя да определи приблизително диаметъра на галактиката, който според неговите изчисления е 60-70 хиляди светлинни години. Съответно се определя и мястото на Слънцето. Оказа се, че той се намира сравнително далеч от бушуващия център на галактиката и на значително разстояние от периферията на Млечния път.
Основната теория за съществуването на галактиките е на американския астрофизик Едуин Хъбъл. Той излезе с идеята да класифицира всички гравитационни образувания, като ги раздели на елиптични галактики и образувания от спирален тип. Последните, спиралните галактики, представляват най-голямата група, която включва образувания с различни размери. Най-голямата наскоро открита спирална галактика е NGC 6872 с диаметър повече от 552 хиляди светлинни години.
Очаквано бъдеще и прогнози
Галактиката Млечен път изглежда компактно и подредено гравитационно образувание. За разлика от нашите съседи, нашият междугалактически дом е доста спокоен. Черните дупки системно засягат галактическия диск, намалявайки размера му. Този процес вече е продължил десетки милиарди години и колко още ще продължи не е известно. Единствената заплаха, надвиснала над нашата галактика, идва от най-близкия й съсед. Галактиката Андромеда бързо се приближава към нас. Учените предполагат, че сблъсък на две гравитационни системи може да се случи след 4,5 милиарда години.
Подобна среща-сливане ще означава края на света, в който сме свикнали да живеем. Млечният път, който е с по-малък размер, ще бъде погълнат от по-голямата формация. Вместо две големи спираловидни образувания във Вселената ще се появи нова елипсовидна галактика. До този момент нашата галактика ще може да се справи със своите спътници. Две галактики джуджета - Големият и Малкият магеланов облак - ще бъдат погълнати от Млечния път след 4 милиарда години.
Ако ви е омръзнало да рекламирате на този сайт, изтеглете нашето мобилно приложение тук: https://play.google.com/store/apps/details?id=com.news.android.military или по-долу, като щракнете върху логото на Google Play . Там намалихме броя на рекламните блокове специално за нашата редовна аудитория.
Още в приложението:
- още новини
- актуализира се 24 часа в денонощието
- известия за големи събития
Ако имате въпроси, оставете ги в коментарите под статията. Ние или нашите посетители ще се радваме да им отговорим
Хората се интересуват от възрастта на Вселената от древни времена. И въпреки че не можете да й поискате паспорт, за да видите рождената й дата, съвременната наука успя да отговори на този въпрос. Вярно, съвсем наскоро.
Паспорт за Вселената Астрономите са проучили в детайли ранната биография на Вселената. Но те имаха съмнения относно точната й възраст, които бяха разсеяни едва през последните няколко десетилетия.
Алексей Левин
Мъдреците от Вавилон и Гърция смятат Вселената за вечна и неизменна, а индуските хронисти през 150 г. пр.н.е. установиха, че той е точно на 1 972 949 091 години (между другото, по отношение на порядъка на величината, те не грешаха много!). През 1642 г. английският теолог Джон Лайтфут, чрез щателен анализ на библейски текстове, изчислява, че сътворението на света е станало през 3929 г. пр. н. е.; няколко години по-късно ирландският епископ Джеймс Ъшър го премести на 4004. Основателите на съвременната наука Йоханес Кеплер и Исак Нютон също не пренебрегнаха тази тема. Въпреки че се позовават не само на Библията, но и на астрономията, резултатите им се оказват подобни на изчисленията на теолозите - 3993 и 3988 г. пр. н. е. В нашето просветено време възрастта на Вселената се определя по други начини. За да ги видим в историческа перспектива, нека първо да разгледаме нашата собствена планета и нейната космическа среда.
Астрономите са проучили в детайли ранната биография на Вселената. Но те имаха съмнения относно точната й възраст, които бяха разсеяни едва през последните няколко десетилетия.
Гадаене с камъни
От втората половина на 18 век учените започват да оценяват възрастта на Земята и Слънцето въз основа на физически модели. Така през 1787 г. френският натуралист Жорж-Луи Льоклер стига до заключението, че ако нашата планета е била топка от разтопено желязо при раждането си, ще са й необходими от 75 до 168 хиляди години, за да се охлади до сегашната си температура. След 108 години ирландският математик и инженер Джон Пери преизчислява топлинната история на Земята и определя нейната възраст на 2-3 милиарда години. В самото начало на 20-ти век лорд Келвин стигна до заключението, че ако Слънцето постепенно се свива и свети единствено поради освобождаването на гравитационна енергия, тогава неговата възраст (и следователно максималната възраст на Земята и другите планети) може да са няколкостотин милиона години. Но по това време геолозите не можаха нито да потвърдят, нито да опровергаят тези оценки поради липсата на надеждни геохронологични методи.
В средата на първото десетилетие на двадесети век Ърнест Ръдърфорд и американският химик Бертрам Болтууд разработиха основата за радиометрично датиране на земни скали, което показа, че Пери е много по-близо до истината. През 20-те години на миналия век са открити минерални проби, чиято радиометрична възраст е близо 2 милиарда години. По-късно геолозите увеличиха тази стойност повече от веднъж и досега тя се е увеличила повече от два пъти - до 4,4 млрд. Допълнителни данни предоставя изследването на "небесните камъни" - метеорити. Почти всички радиометрични оценки на тяхната възраст попадат в диапазона от 4,4-4,6 милиарда години.
Съвременната хелиосеизмология дава възможност директно да се определи възрастта на Слънцето, която според последните данни е 4,56 - 4,58 милиарда години. Тъй като продължителността на гравитационната кондензация на протослънчевия облак е измерена само в милиони години, можем уверено да кажем, че от началото на този процес до наши дни са изминали не повече от 4,6 милиарда години. В същото време слънчевата материя съдържа много елементи, по-тежки от хелия, които са се образували в термоядрените пещи на масивни звезди от предишни поколения, които са изгорели и експлодирали в свръхнови. Това означава, че съществуването на Вселената значително надвишава възрастта на Слънчевата система. За да определите степента на този излишък, трябва първо да отидете в нашата Галактика и след това отвъд нейните граници.
След белите джуджета
Животът на нашата Галактика може да се определи по различни начини, но ние ще се ограничим до двата най-надеждни. Първият метод се основава на наблюдение на сиянието на белите джуджета. Тези компактни (с размерите на Земята) и първоначално много горещи небесни тела представляват последния етап от живота за всички звезди, освен за най-масивните. За да се превърне в бяло джудже, една звезда трябва напълно да изгори цялото си термоядрено гориво и да претърпи няколко катаклизма - например да стане червен гигант за известно време.
Естествен часовник
Според радиометричното датиране най-старите скали на Земята сега се считат за сивите гнайси на брега на Голямото робско езеро в северозападна Канада - възрастта им се определя на 4,03 милиарда години. Още по-рано (преди 4,4 милиарда години) кристализират малки зрънца от минерала циркон, естествен циркониев силикат, открит в гнайси в Западна Австралия. И тъй като земната кора вече е съществувала в онези дни, нашата планета трябва да е малко по-стара.
Що се отнася до метеоритите, най-точната информация се предоставя от датирането на калциево-алуминиеви включвания в материала на карбонови хондритни метеорити, които остават практически непроменени след образуването си от газово-праховия облак, който заобикаля новороденото Слънце. Радиометричната възраст на подобни структури в метеорита Ефремовка, открит през 1962 г. в Павлодарска област на Казахстан, е 4 милиарда 567 милиона години.
Типичното бяло джудже е съставено почти изцяло от въглеродни и кислородни йони, вградени в изроден електронен газ, и има тънка атмосфера, доминирана от водород или хелий. Температурата на повърхността му варира от 8 000 до 40 000 K, докато централната зона се нагрява до милиони и дори десетки милиони градуси. Според теоретичните модели могат да се раждат и джуджета, състоящи се предимно от кислород, неон и магнезий (които при определени условия се превръщат в звезди с маса от 8 до 10,5 или дори до 12 слънчеви маси), но тяхното съществуване все още не е доказано. Теорията също така гласи, че звезди с поне половината от масата на Слънцето завършват като хелиеви бели джуджета. Такива звезди са многобройни, но те изгарят водород изключително бавно и затова живеят много десетки и стотици милиони години. Досега те просто не са имали достатъчно време да изчерпят своето водородно гориво (много малкото хелиеви джуджета, открити до момента, живеят в двоични системи и са възникнали по напълно различен начин).
Тъй като бялото джудже не може да поддържа реакции на термоядрен синтез, то свети поради натрупаната енергия и следователно бавно се охлажда. Скоростта на това охлаждане може да се изчисли и на тази основа да се определи времето, необходимо за намаляване на температурата на повърхността от първоначалната (за типично джудже това е около 150 000 K) до наблюдаваната. Тъй като се интересуваме от възрастта на Галактиката, трябва да търсим най-дълголетните и следователно най-студените бели джуджета. Съвременните телескопи позволяват да се откриват вътрегалактични джуджета с температура на повърхността под 4000 K, чиято яркост е 30 000 пъти по-ниска от тази на Слънцето. Досега не са открити - или изобщо ги няма, или са много малко. От това следва, че нашата Галактика не може да бъде по-стара от 15 милиарда години, в противен случай те биха присъствали в забележими количества.
За датиране на скалите се използва анализ на съдържанието на разпадни продукти на различни радиоактивни изотопи в тях. В зависимост от вида на скалата и времето на датиране се използват различни двойки изотопи.
Това е горната възрастова граница. Какво можем да кажем за дъното? Най-готините бели джуджета, известни в момента, бяха открити от космическия телескоп Хъбъл през 2002 и 2007 г. Изчисленията показаха, че възрастта им е 11,5 - 12 милиарда години. Към това трябва да добавим и възрастта на звездите-предшественици (от половин милиард до милиард години). От това следва, че Млечният път е не по-млад от 13 милиарда години. Така че окончателната оценка на възрастта му, получена от наблюдения на бели джуджета, е приблизително 13 - 15 милиарда години.
Бални сертификати
Вторият метод се основава на изследването на сферични звездни купове, разположени в периферната зона на Млечния път и обикалящи около ядрото му. Те съдържат от стотици хиляди до повече от милион звезди, свързани от взаимно привличане.
Кълбовидните купове се срещат в почти всички големи галактики и броят им понякога достига много хиляди. Там почти не се раждат нови звезди, но по-старите звезди присъстват в изобилие. Около 160 такива кълбовидни купа са регистрирани в нашата Галактика и може би ще бъдат открити още две до три дузини. Механизмите на тяхното формиране не са напълно ясни, но най-вероятно много от тях са възникнали скоро след раждането на самата Галактика. Следователно датирането на формирането на най-старите кълбовидни купове дава възможност да се установи долна граница на галактическата възраст.
Това датиране е много сложно технически, но се основава на много проста идея. Всички звезди в клъстера (от свръхмасивните до най-леките) се образуват от един и същи газов облак и следователно се раждат почти едновременно. С течение на времето те изгарят основните запаси от водород - някои по-рано, други по-късно. На този етап звездата напуска основната последователност и претърпява поредица от трансформации, които завършват или с пълен гравитационен колапс (последван от образуването на неутронна звезда или черна дупка), или с появата на бяло джудже. Следователно изучаването на състава на кълбовидния куп дава възможност да се определи доста точно възрастта му. За надеждна статистика броят на изследваните клъстери трябва да бъде поне няколко десетки.
Тази работа беше извършена преди три години от екип астрономи, използвайки камерата ACS (Advanced Camera for Survey) на космическия телескоп Хъбъл. Наблюдението на 41 кълбовидни купа в нашата Галактика показа, че средната им възраст е 12,8 милиарда години. Рекордьорите са клъстерите NGC 6937 и NGC 6752, разположени на 7200 и 13 000 светлинни години от Слънцето. Те почти сигурно не са по-млади от 13 милиарда години, като най-вероятният живот на втория клъстер е 13,4 милиарда години (макар и с грешка от плюс или минус един милиард).
Звезди с маса от порядъка на Слънцето, тъй като запасите им от водород се изчерпват, набъбват и стават червени джуджета, след което хелиевото им ядро се нагрява при компресия и започва изгаряне на хелий. След известно време звездата изхвърля обвивката си, образувайки планетарна мъглявина, след което се превръща в бяло джудже и след това се охлажда.
Нашата галактика обаче трябва да е по-стара от своите клъстери. Неговите първи свръхмасивни звезди избухнаха като свръхнови и изхвърлиха ядрата на много елементи в космоса, по-специално ядрата на стабилния изотоп берилий-берилий-9. Когато кълбовидните купове започнаха да се образуват, техните новородени звезди вече съдържаха берилий и толкова повече, колкото по-късно се появиха. Въз основа на съдържанието на берилий в техните атмосфери може да се определи колко по-млади са куповете от Галактиката. Както се вижда от данните за клъстера NGC 6937, тази разлика е 200 - 300 милиона години. И така, без много разтягане, можем да кажем, че възрастта на Млечния път надхвърля 13 милиарда години и може би достига 13,3 – 13,4 милиарда Това е почти същата оценка като тази, направена въз основа на наблюдения на бели джуджета, но се получава по съвсем различен начин.
Закон на Хъбъл
Научната постановка на въпроса за възрастта на Вселената стана възможна едва в началото на втората четвърт на миналия век. В края на 20-те години на миналия век Едуин Хъбъл и неговият асистент Милтън Хюмасън започнаха да изясняват разстоянията до десетки мъглявини извън Млечния път, които само няколко години по-рано бяха станали независими галактики.
Тези галактики се отдалечават от Слънцето с радиални скорости, които са измерени чрез червеното отместване на техните спектри. Въпреки че разстоянията до повечето от тези галактики могат да бъдат определени с голяма грешка, Хъбъл все пак установи, че те са приблизително пропорционални на радиалните скорости, както той пише в статия, публикувана в началото на 1929 г. Две години по-късно Хъбъл и Хюмасън потвърдиха това заключение въз основа на наблюдения на други галактики - някои от тях на повече от 100 милиона светлинни години.
Тези данни са в основата на известната формула v=H0d, известна като закон на Хъбъл. Тук v е радиалната скорост на галактиката спрямо Земята, d е разстоянието, H0 е коефициентът на пропорционалност, чието измерение, както е лесно да се види, е обратното на измерението на времето (по-рано се наричаше константа на Хъбъл , което е неправилно, тъй като в предишни епохи стойността на H0 е била различна от тази в наши дни). Самият Хъбъл и много други астрономи дълго време отхвърляха предположенията за физическия смисъл на този параметър. Въпреки това, Жорж Леметр показа още през 1927 г., че общата теория на относителността ни позволява да тълкуваме разширяването на галактиките като доказателство за разширяването на Вселената. Четири години по-късно той имаше смелостта да доведе това заключение до логичното му заключение, като изложи хипотезата, че Вселената е възникнала от почти точков ембрион, който той, поради липса на по-добър термин, нарече атом. Този първичен атом може да остане в статично състояние за всяко време до безкрайност, но неговата „експлозия“ роди разширяващо се пространство, изпълнено с материя и радиация, което за крайно време породи настоящата Вселена. Още в първата си статия Lemaitre изведе пълен аналог на формулата на Хъбъл и, разполагайки с известните по това време данни за скоростите и разстоянията на редица галактики, той получи приблизително същата стойност на коефициента на пропорционалност между разстоянията и скоростите като Хъбъл. Статията му обаче е публикувана на френски в малко известно белгийско списание и първоначално остава незабелязана. Той става известен на повечето астрономи едва през 1931 г. след публикуването на английския му превод.
Еволюцията на Вселената се определя от началната скорост на нейното разширяване, както и от ефектите на гравитацията (включително тъмната материя) и антигравитацията (тъмната енергия). В зависимост от връзката между тези фактори, графиката на размера на Вселената има различна форма както в бъдещето, така и в миналото, което се отразява на оценката на нейната възраст. Настоящите наблюдения показват, че Вселената се разширява експоненциално (червена графика).
Време на Хъбъл
От тази работа на Льометр и по-късните работи както на самия Хъбъл, така и на други космолози пряко следва, че възрастта на Вселената (естествено, измерена от началния момент на нейното разширяване) зависи от стойността 1/H0, която сега се нарича Хъбъл време. Характерът на тази зависимост се определя от конкретния модел на Вселената. Ако приемем, че живеем в плоска Вселена, изпълнена с гравитираща материя и радиация, тогава за изчисляване на нейната възраст 1/H0 трябва да се умножи по 2/3.
Тук се зароди преградата. От измерванията на Хъбъл и Хюмасън следва, че числената стойност на 1/H0 е приблизително равна на 1,8 милиарда години. От това следва, че Вселената е родена преди 1,2 милиарда години, което явно противоречи дори на силно подценените оценки за възрастта на Земята по това време. Човек може да се измъкне от тази трудност, като приеме, че галактиките се отдалечават по-бавно, отколкото Хъбъл смяташе. С течение на времето това предположение се потвърди, но не реши проблема. Според данни, получени до края на миналия век с помощта на оптична астрономия, 1/H0 варира от 13 до 15 милиарда години. Така че несъответствието все още остава, тъй като пространството на Вселената е било и се смята за плоско, а две трети от времето на Хъбъл е много по-малко от дори най-скромните оценки за възрастта на Галактиката.
Празен свят
Според последните измервания на параметъра на Хъбъл долната граница на времето на Хъбъл е 13,5 милиарда години, а горната – 14 милиарда. Оказва се, че текущата възраст на Вселената е приблизително равна на сегашното време на Хъбъл. Такова равенство трябва да се спазва стриктно и неизменно за една абсолютно празна Вселена, където няма нито гравитираща материя, нито антигравитиращи полета. Но в нашия свят има достатъчно и от двете. Факт е, че пространството първо се разширява бавно, след това скоростта на разширяването му започва да се увеличава и в настоящата епохатези противоположни тенденции почти се компенсираха една друга.
Като цяло, това противоречие беше елиминирано през 1998 - 1999 г., когато два екипа астрономи доказаха, че през последните 5 - 6 милиарда години космическото пространство се разширява не с намаляваща, а с нарастваща скорост. Това ускорение обикновено се обяснява с факта, че в нашата Вселена нараства влиянието на антигравитационния фактор, така наречената тъмна енергия, чиято плътност не се променя с времето. Тъй като плътността на гравитиращата материя намалява с разширяването на Космоса, тъмната енергия се конкурира все по-успешно с гравитацията. Продължителността на съществуването на Вселена с антигравитационен компонент не трябва да е равна на две трети от времето на Хъбъл. Следователно откритието за ускоряващото се разширяване на Вселената (отбелязано през 2011 г. с Нобеловата награда) направи възможно премахването на несъответствието между космологичните и астрономическите оценки за нейния живот. Това беше и прелюдия към разработването на нов метод за датиране на нейното раждане.
Космически ритми
На 30 юни 2001 г. НАСА изпрати Explorer 80 в космоса, две години по-късно преименуван на WMAP, Wilkinson Microwave Anisotropy Probe. Неговото оборудване направи възможно записването на температурни колебания на микровълновото космическо микровълново фоново излъчване с ъглова разделителна способност по-малка от три десети от градуса. Тогава вече беше известно, че спектърът на това лъчение почти напълно съвпада със спектъра на идеално черно тяло, нагрято до 2,725 K, а температурните му колебания при „едрозърнести“ измервания с ъглова разделителна способност от 10 градуса не надвишават 0,000036 K Въпреки това, при „фини“ измервания по скалата на сондата WMAP, амплитудите на такива флуктуации бяха шест пъти по-големи (около 0,0002 K). Космическото микровълново фоново лъчение се оказа петнисто, плътно осеяно с малко повече и малко по-малко нагрети области.
Флуктуациите в космическото микровълново фоново лъчение се генерират от флуктуациите в плътността на електронно-фотонния газ, който някога е изпълвал космическото пространство. Той спада почти до нула около 380 000 години след Големия взрив, когато почти всички свободни електрони се комбинират с ядрата на водорода, хелия и лития, като по този начин се образуват неутрални атоми. Докато това се случи, звуковите вълни се разпространяваха в електронно-фотонния газ, повлияни от гравитационните полета на частиците от тъмната материя. Тези вълни, или както астрофизиците казват, акустични трептения, оставиха своя отпечатък върху спектъра на космическото микровълново фоново излъчване. Този спектър може да бъде дешифриран с помощта на теоретичния апарат на космологията и магнитната хидродинамика, което дава възможност да се преоцени възрастта на Вселената. Както показват последните изчисления, най-вероятният му обхват е 13,72 милиарда години. Сега се счита за стандартна оценка на продължителността на живота на Вселената. Ако вземем предвид всички възможни неточности, допустими отклонения и приближения, можем да заключим, че според резултатите от сондата WMAP Вселената съществува между 13,5 и 14 милиарда години.
Така астрономите, оценявайки възрастта на Вселената по три различни начина, получиха доста съвместими резултати. Следователно сега знаем (или, казано по-предпазливо, смятаме, че знаем) кога е възникнала нашата Вселена - поне с точност от няколкостотин милиона години. Вероятно потомците ще добавят решението на тази вековна загадка към списъка на най-забележителните постижения на астрономията и астрофизиката.
