Наша галактика. Загадки Чумацького шляху
Якоюсь мірою ми знаємо про далекі зіркові системи більше, ніж про нашу рідну Галактику – Чумацький Шлях. Дослідити його структуру складніше, ніж будова будь-яких інших галактик, тому що вивчати її доводиться зсередини, і багато не так легко розглянути. Міжзоряні пилові хмари поглинають світло, що випромінюється міріадами віддалених зірок.
Тільки з розвитком радіоастрономії та появою інфрачервоних телескопів вчені змогли зрозуміти, як влаштовано нашу Галактику. Але багато деталей залишаються незрозумілими і донині. Навіть кількість зірок у Чумацькому шляху оцінюється досить приблизно. Найновіші електронні довідники називають цифри від 100 до 300 мільярдів зірок.
Ще недавно вважалося, що у нашої Галактики є 4 великі рукави. Але у 2008 р. астрономи з Вісконсинського університету опублікували результати обробки близько 800 000 інфрачервоних знімків, зроблених космічним телескопом «Спітцер». Їхній аналіз показав, що у Чумацького Шляху всього два рукави. Щодо інших рукавів, то вони є лише вузькими бічними відгалуженнями. Отже, Чумацький Шлях – це спіральна галактика із двома рукавами. Слід зазначити, що у більшості відомих нам спіральних галактик також лише два рукави.
«Завдяки телескопу “Спітцер” ми маємо можливість знову переосмислити структуру Чумацького Шляху, – підкреслив астроном Роберт Бенджамін з Вісконсинського університету, виступаючи на конференції Американського астрономічного товариства. – Ми уточнюємо наше уявлення про Галактику так само, як сторіччя тому першовідкривачі, здійснюючи подорожі земною кулею, уточнювали та переосмислювали колишні уявлення про те, як виглядає Земля».
З початку 90-х років XX століття, спостереження, що проводяться в інфрачервоному діапазоні, все більше і більше змінюють наші знання про структуру Чумацького Шляху, адже інфрачервоні телескопи дають змогу заглянути крізь газопилові хмари та побачити те, що недоступне для звичайних телескопів.
2004 рік – вік нашої Галактики було оцінено у 13,6 мільярда років. Вона виникла незабаром після . Спочатку це був дифузний газовий міхур, що містив в основному водень та гелій. Згодом він перетворився на величезну спіральну галактику, в якій ми зараз живемо.
Загальна характеристика
Але як протікала еволюція нашої Галактики? Як вона формувалася – повільно чи навпаки дуже швидко? Як вона насичувалась важкими елементами? Як змінювалися за мільярди років форма Чумацького Шляху та його хімічний склад? Детальні відповіді на ці питання ще треба дати вченим.
Протяжність нашої Галактики становить близько 100 000 світлових років, а середня товщина галактичного диска – близько 3 000 світлових років (товщина опуклої частини – балджа – досягає 16 000 світлових років). Втім, 2008 р. австралійський астроном Браян Генслер, проаналізувавши результати спостережень за пульсарами, припустив, що, ймовірно, галактичний диск вдвічі товщі, ніж прийнято вважати.
Велика чи мала наша Галактика за космічними мірками? Для порівняння: довжина туманності Андромеди, найближчої до нас великої галактики, становить приблизно 150 000 світлових років.
Наприкінці 2008 р. дослідники встановили методами радіоастрономії, що Чумацький Шлях обертається швидше, ніж передбачали раніше. Судячи з цього показника, його маса приблизно в півтора рази вища, ніж прийнято було рахувати. За різними оцінками, вона варіюється від 1,0 до 1,9 трлн сонячних мас. Знову ж таки для порівняння: масу туманності Андромеди оцінюють щонайменше в 1,2 трильйони сонячних мас.
Будова галактик
Чорна діра
Отже, Чумацький Шлях не поступається розмірами туманності Андромеди. «Нам не слід більше ставитися до нашої Галактики як молодшої сестри туманності Андромеди», – зазначив астроном Марк Рейд зі Смітсонівського центру астрофізики при Гарвардському університеті. У той же час, оскільки маса нашої Галактиці більша, ніж передбачалося, сила її тяжіння також вища, а отже, зростає і ймовірність її зіткнення з іншими галактиками поблизу нас.
Нашу Галактику оточує кулясте гало, що досягає в діаметрі 165 000 світлових років. Астрономи часом називають гало «галактичною атмосферою». Воно містить приблизно 150 кульових скупчень, а також невелику кількість давніх зірок. Решта простору гало заповнена розрідженим газом, а також темною речовиною. Масу останнього оцінюють приблизно трильйон сонячних мас.
У спіральних рукавах Чумацького Шляху міститься величезна кількість водню. Саме тут продовжують зароджуватись зірки. Згодом молоді зірки залишають рукави галактик і переселяються в галактичний диск. Втім, найпотужніші та найяскравіші зірки живуть досить недовго, тому не встигають відійти від місця свого народження. Невипадково рукави нашої Галактики так яскраво світяться. Більша частина Чумацького Шляху складається з невеликих, не дуже масивних зірок.
Центральна частина Чумацького Шляху знаходиться в сузір'ї Стрільця. Ця область оточена темними газопиловими хмарами, за якими нічого не можна побачити. Тільки починаючи з 1950-х років, використовуючи засоби радіоастрономії, вчені змогли поступово розглянути те, що там таїться. У цій частині Галактики було виявлено потужне радіоджерело, що отримало назву Стрілець А. Як показали спостереження, тут зосереджена маса, що перевищує масу Сонця в кілька мільйонів разів. Найприйнятніше пояснення цього можливе лише одне: у центрі нашої Галактики перебуває .
Зараз вона з якихось причин влаштувала собі перепочинок і не виявляє особливої активності. Приплив речовини сюди дуже мізерний. Можливо, згодом у чорної дірки прокинеться апетит. Тоді вона знову почне поглинати пелену газу і пилу, що оточила її, і Чумацький Шлях поповнить список активних галактик. Можливо, що перед цим у центрі Галактики почнуть бурхливо зароджуватися зірки. Подібні процеси, мабуть, регулярно повторюються.
2010 рік - американські астрономи за допомогою Космічного телескопа імені Фермі, призначеного для спостереження за джерелами гамма-випромінювання, виявили в нашій Галактиці дві загадкові структури - два величезні бульбашки, що випускають гамма-випромінювання. Діаметр кожного з них становить середньому 25 000 світлових років. Вони розлітаються з центру Галактики у північному та південному напрямках. Може бути, йдеться про потоки частинок, які випустила колись чорна дірка, що знаходиться посередині Галактики. Інші дослідники вважають, що йдеться про газові хмари, що вибухнули під час зародження зірок.
Навколо Чумацького Шляху розташовано кілька карликових галактик. Найвідоміші з них – Велика і Мала Магелланова Хмара, які пов'язані з Чумацьким Шляхом свого роду водневим мостом, величезним шлейфом газу, що тягнеться за цими галактиками. Він отримав назву "Магелланова потоку". Його довжина становить близько 300 000 світлових років. Наша Галактика постійно поглинає найближчі до неї карликові галактики, зокрема, галактику Сагітаріуса, розташовану на відстані 50 000 світлових років від галактичного центру.
Залишається додати, що Чумацький Шлях та туманність Андромеди рухаються назустріч один одному. Імовірно, через 3 мільярди років обидві галактики зіллються воєдино, утворивши більшу еліптичну галактику, яку вже назвали «Млечномедой».
Походження Чумацького шляху
Туманність Андромеди
Протягом тривалого часу вважалося, що Чумацький Шлях формувався поступово. 1962 - Олін Егген, Дональд Лінден-Белл і Аллан Сендедж запропонували гіпотезу, яка стала відома, як модель ELS (її назвали за початковими літерами їх прізвищ). Згідно з нею, на місці Чумацького Шляху колись повільно оберталася однорідна хмара газу. Воно нагадувало кулю і досягало в діаметрі приблизно 300 000 світлових років, а складалося переважно з водню і гелію. Під впливом гравітації протогалактика стиснулася і стала плоскою; у своїй її обертання помітно прискорилося.
Майже два десятки років така модель влаштовувала вчених. Але нові результати спостережень показали, що Чумацький Шлях було виникнути оскільки йому написали теоретики.
Згідно з цією моделлю, спочатку утворюється гало, а потім – галактичний диск. Але в диску також зустрічаються дуже давні зірки, наприклад, червоний гігант Арктур, чий вік понад 10 мільярдів років, або численні білі карлики того ж віку.
І в галактичному диску, і в гало виявлені кульові скупчення, які молодші, ніж допускає модель ELS. Очевидно, вони поглинені нашою пізньою Галактикою.
Багато зірок в гало обертаються в іншому напрямку, ніж Чумацький Шлях. Можливо, вони теж знаходилися колись за межами Галактики, але потім були втягнуті в цей «зоряний вихор» – наче випадковий плавець у вир.
1978 - Леонард Сірл і Роберт Цинн запропонували свою модель становлення Чумацького Шляху. Її позначили як модель SZ. Тепер історія Галактики помітно ускладнилася. Ще недавно її молодість, в уявленні астрономів, описувалася так само просто, як на думці фізиків - прямолінійний поступальний рух. Механіка того, що відбувається, було чітко видно: була однорідна хмара; воно складалося тільки з газу, що рівномірно розлився. Ніщо своєю присутністю не ускладнювало розрахунки теоретиків.
Тепер замість однієї величезної хмари у видіннях вчених виникли відразу кілька невеликих, химерно розкиданих хмар. Серед них виднілись і зірки; щоправда, вони були лише гало. Всередині гало все вирувало: хмари стикалися; газові маси перемішувалися та ущільнювалися. З часом із цієї суміші утворився галактичний диск. У ньому почали з'являтися нові зірки. Але й цю модель згодом розкритикували.
Не можна було зрозуміти, що пов'язувало гало та галактичний диск. Цей диск і ріденька зоряна оболонка навколо нього мали мало спільного. Вже після того, як Сірл і Цин склали свою модель, з'ясувалося, що гало обертається надто повільно, щоб з нього утворився галактичний диск. Судячи з розподілу хімічних елементів, останній виник із протогалактичного газу. Нарешті, момент кількості руху диска виявився у 10 разів вищим, ніж гало.
Весь секрет у тому, що обидві моделі містять зерно істини. Вся біда в тому, що вони надто прості та односторонні. Обидві вони здаються тепер фрагментами одного і того ж рецепту, за яким було створено Чумацький Шлях. Егген та його колеги прочитали кілька одних рядків із цього рецепту, Сірл та Цін – кілька інших. Тому, намагаючись заново уявити історію нашої Галактики, ми раз у раз помічаємо знайомі, вже читані одного разу рядки.
Чумацький шлях. Комп'ютерна модель
Отже, все почалося невдовзі після Великого вибуху. Сьогодні прийнято вважати, що флуктуації щільності темної речовини породили перші структури - так звані темні гало. Завдяки силі гравітації ці структури не розпадалися», – зазначає німецький астроном Андреас Буркерт, авторка нової моделі народження Галактики.
Темні гало стали зародками – ядрами – майбутніх галактик. Навколо них під впливом гравітації накопичувався газ. Відбувся однорідний колапс, як описує його модель ELS. Вже через 500-1000 мільйонів років після Великого вибуху газові скупчення, що оточували темні гало, стали «інкубаторами» зірок. Тут виникли маленькі протогалактики. У щільних хмарах газу виникли перші кульові скупчення, адже зірки тут народжувалися в сотні разів частіше, ніж будь-де. Протогалактики стикалися і зливалися один з одним - так утворилися великі галактики, у тому числі наш Чумацький Шлях. Сьогодні він оточений темною речовиною і гало, що складається з одиночних зірок та їх кульових скупчень, цими руїнами світобудови, вік яких перевищує 12 мільярдів років.
У протогалактиках було багато дуже потужних зірок. Не минуло й кількох десятків мільйонів років, як більшість із них вибухнула. Ці вибухи збагатили хмари газу тяжкими хімічними елементами. Тому в галактичному диску народжувалися не такі зірки, як у гало, вони містили в сотні разів більше металів. Окрім цього, ці вибухи породили потужні галактичні вихори, які розігрівали газ та виметали його за межі протогалактик. Відбувся поділ газових мас та темної речовини. Це була найважливіша стадія формування галактик, не врахована раніше в жодній моделі.
Натомість темні гало дедалі частіше стикалися один з одним. Причому протогалактики витягувалися чи розпадалися. Про ці катастрофи нагадують ланцюжки зірок, що збереглися в гало Чумацького Шляху з часів «юності». Вивчаючи їхнє розташування, можна оцінити події, які відбувалися в ту епоху. Поступово із цих зірок утворилася велика сфера – видиме нами гало. У міру остигання всередину нього проникали газові хмари. Їх момент кількості руху зберігався, тому вони не стиснулися в одну-єдину точку, а утворили диск, що обертається. Все це сталося понад 12 мільярдів років тому. Тепер газ стискався так, як описано в моделі ELS.
У цей час утворюється і «балдж» Чумацького Шляху – його серединна частина, що нагадує еліпсоїд. Балдж складається із дуже старих зірок. Ймовірно, він виник при злитті найбільших протогалактик, які найдовше утримували газові хмари. Серед нього виявилися нейтронні зірки і крихітні чорні дірки - релікти наднових зірок, що вибухнули. Вони зливалися один з одним, принагідно поглинаючи потоки газу. Можливо, так зародилася величезна чорна діра, яка нині перебуває в центрі нашої Галактики.
Історія Чумацького Шляху набагато хаотичніша, ніж вважали раніше. Наша рідна Галактика, велика навіть за космічними мірками, утворилася після низки ударів і злиттів – після серії космічних катастроф. Сліди тих давніх подій можна знайти і сьогодні.
Приміром, не всі зірки Чумацького Шляху звертаються навколо галактичного центру. Ймовірно, за мільярди років свого існування наша Галактика поглинула чимало попутників. Вік кожної десятої зірки в галактичному гало – менше 10 мільярдів років. На той час Чумацький Шлях вже сформувався. Можливо, це залишки захоплених колись карликових галактик. Група англійських учених з Астрономічного інституту (Кембридж) на чолі з Джерардом Гілмором підрахувала, що Чумацький Шлях, очевидно, міг поглинути від 40 до 60 карликових галактик Каріна.
Крім цього, Чумацький Шлях притягує до себе величезні маси газу. Так, 1958 р. нідерландські астрономи помітили в гало безліч невеликих плям. Насправді вони виявилися газовими хмарами, які складалися в основному з атомів водню і мчали у бік галактичного диска.
Наша Галактика не стримає свій апетит і надалі. Можливо, вона поглине найближчі до нас карликові галактики - Форнакс, Каріну і, мабуть, Секстанс, а потім зіллється з туманністю Андромеди. Навколо Чумацького Шляху – цього ненаситного «зоряного канібалу» – стане ще пустелею.
Розділити на соціальні групи наша галактика Чумацький Шлях належатиме до міцного «середнього класу». Так, вона відноситься до найпоширенішого виду галактик, але в той же час не є середньою за розміром або масою. Галактик, які дрібніші за Чумацький Шлях, більші за ті, що більші за нього. Ще наш «зірковий острів» має як мінімум 14 супутників - інші карликові галактики. Вони приречені кружляти навколо Чумацького Шляху, доки не будуть ним поглинені, або ж не відлетять геть від міжгалактичного зіткнення. Ну і поки що це єдине місце, де, напевно, існує життя - тобто ми з вами.
Але ще Чумацький шлях залишається найбільш загадковою галактикою у Всесвіті: перебуваючи на самому краю «зіркового острова», бачимо лише частину мільярдів його зірок. А галактики зовсім невидимо - воно закрите щільними рукавами зірок, газу та пилу. Про факти та таємниці Чумацького Шляху і піде сьогодні мова.
> > > Скільки зірок у Чумацькому ШляхуСкільки зірок на території галактики Чумацький Шлях: як визначити кількість, дослідження телескопа Хаббл, структура спіральної галактики, методи спостереження
Якщо ви маєте можливість милуватися темним небом, тоді перед вами відкривається неймовірна зіркова колекція. З будь-якого місця доступно для огляду 2500 зірок Чумацького Шляху без використання техніки та 5800-8000, якщо під рукою прихований бінокль або телескоп. Але це лише мала частина їхньої кількості. Так, скільки зірок у галактиці Чумацький Шлях?
Вчені вважають, що загальна кількість зірок у Чумацькому Шляху коливається від 100-400 мільярдів, хоча перебувають і ті, хто піднімає позначку до трильйона. Звідки такі відмінності? Справа в тому, що нам відкритий огляд зсередини і є приховані від земної зони видимості місця.
Галактична структура та її вплив на кількість зірок
Почнемо з того, що Сонячна система розташована в галактичному диску спірального типу, з протяжністю 100000 світлових років. Ми віддалені від центру на 30 000 світлових років. Тобто, між нами та протилежною стороною знаходиться величезна прірва.
Далі з'являється ще одна складність спостереження. Одні зірки яскравіші за інші і часом їхнє світло затьмарює сусідів. Найбільш віддалені зірки, доступні неозброєним оком, розташовані на дистанції 1000 світлових років. Чумацький Шлях переповнений сліпучими вогнями, але багато хто з них ховається за газовим та пиловим серпанком. Саме цей витягнутий слід називають "молочним".
Спостереження відкрито зірки в нашому галактичному «районі». Уявіть, що ви потрапили на вечірку до приміщення, де вся площа забита людьми. Ви стоїте в одному кутку, і вас просять назвати точну кількість присутніх. Але це не все. Один з гостей включає димар, і вся кімната заповнюється густим туманом, закриваючи від вас усіх, хто стоїть далі. А тепер рахуйте!
Методи візуалізації кількості зірок
Але панікувати не варто, адже завжди є лазівки. Інфрачервоні камери дозволяють пробратися крізь пил та дим. Серед таких проектів можна згадати телескоп Спітцер, COBE, WISE та Німецька космічна обсерваторія.
Всі вони з'явилися в останній десяток років, щоб досліджувати простір в інфрачервоних довжинах хвиль. Це допомагає знайти приховані зірки. Але й це не дозволяє побачити все, тому вчені змушені робити розрахунки та висувати ймовірні цифри. Спостереження починаються із зоряних орбіт на галактичному диску. Завдяки цьому обчислюється орбітальна швидкість та період обертання (руху) Чумацького Шляху.
Висновки про те скільки зірок у Чумацькому Шляху
На одне обертання навколо галактичного центру Сонячна система йде 225-250 мільйонів років. Тобто швидкість галактики – 600 км/с.
Далі визначається маса (гало темної матерії – 90%) та обчислюється середня маса (вивчають маси та типи зірок). У результаті виходить, що середня оцінка кількості зірок галактики Чумацький Шлях – 200-400 мільярдів небесних тіл.
Майбутні технології дозволять знайти кожну зірку. Або зонди зможуть досягати неймовірних відстаней і знімуть галактику з «півночі» – над центром. А поки що ми можемо покладатися лише на математичні розрахунки.
Планета Земля, Сонячна система, мільярди інших зірок і небесних тіл – це наша галактика Чумацький Шлях — величезна міжгалактична освіта, де все підпорядковується законам гравітації. Дані у тому, які справжні розміри галактики, є лише приблизними. І найцікавіше, що таких утворень, більших чи менших, у Всесвіті сотні може бути навіть тисячі.
Галактика Чумацький Шлях та що її оточує
Всі небесні тіла, включаючи планети Чумацького шляху, супутники, астероїди, комети та зірки, постійно перебувають у русі. Народжені в космічному вихорі Великого вибуху всі ці об'єкти перебувають на шляху свого розвитку. Одні мають більш давній вік, інші – явно молодші.
Гравітаційне утворення обертається навколо центру, окремі частини галактики обертаються з різною швидкістю. Якщо центрі швидкість обертання галактичного диска досить помірна, то периферії цей параметр досягає значень 200-250 км/с. На одній із цих ділянок, ближче до центру галактичного диска, розташоване Сонце. Відстань від нього до центру галактики становить 25-28 тис. світлових років. Повний оборот навколо центральної осі гравітаційної освіти Сонце та Сонячна система здійснюють за 225-250 млн. років. Відповідно, за всю історію свого існування Сонячна система лише 30 разів облетіла навколо центру.
Місце галактики у Всесвіті
Слід зазначити одну чудову особливість. Положення Сонця і, відповідно, планети Земля дуже зручне. У галактичному диску постійно відбувається процес ущільнення. Викликаний цей механізм невідповідністю швидкості обертання спіральних гілок та руху зірок, що переміщуються в межах галактичного диска за своїми законами. Під час ущільнення відбуваються бурхливі процеси, що супроводжуються сильним ультрафіолетовим випромінюванням. Сонце та Земля затишно розташувалися в коротаційному колі, де подібна бурхлива діяльність відсутня: між двома спіральними гілками на межі рукавів Чумацького Шляху — Стрільця та Персея. Цим пояснюється і той спокій, у якому ми перебуваємо настільки тривалий час. Вже понад 4,5 млрд. років нас не зачіпають космічні катаклізми.
Будова галактики Чумацький Шлях
Галактичний диск не однорідний за своїм складом. Як і інші спіральні гравітаційні системи, Чумацький Шлях має три області, що розрізняються:
- ядро, сформоване щільним зоряним скупченням, що налічує мільярд зірок різного віку;
- сам галактичний диск, сформований із скупчень зірок, зоряного газу та пилу;
- корона, сферичне гало - область в якій розташовуються кульові скупчення, карликові галактики, окремі групи зірок, космічний пил та газ.
Поблизу площини галактичного диска розташовуються молоді зірки, зібрані в скупчення. Щільність зоряних скупчень у центрі диска вища. Поблизу центру щільність становить 10 000 зірок на один кубічний парсек. У районі, де знаходиться Сонячна система, щільність зірок складає вже 1-2 світила на 16 кубічних парсеків. Як правило, вік цих небесних тіл трохи більше кількох мільярдів років.
Міжзоряний газ також концентрується навколо площини диска, підкоряючись відцентровим силам. Незважаючи на постійну швидкість обертання спіральних гілок, міжзоряний газ розподілений нерівномірно, утворюючи великі та малі зони хмарності, туманності. Проте основним галактичним будівельним матеріалом є темна матерія. Її маса переважає над сукупною масою всіх небесних тіл, що входять до складу галактики Чумацький Шлях.
Якщо на схемі будова галактики досить зрозуміла і прозора, то насправді розглянути центральні області галактичного диска практично неможливо. Газопилові хмари та скупчення зоряного газу приховують від нашого погляду світло з центру Чумацького шляху, в якому живе справжній космічний монстр – надмасивна чорна діра. Маса цього надгіганта становить приблизно 4,3 мільйона M☉. Поруч із надгігантом розташовується чорна дірка менших розмірів. Доповнюють цю похмуру компанію сотні карликових чорних дірок. Чорні діри Чумацького шляху є не лише пожирателями зіркової матерії, але й виконують функцію пологового будинку, викидаючи у простір величезні згустки протонів, нейтронів та електронів. Саме їх утворюється атомарний водень — головне паливо зоряного племені.
Перемичка бар знаходиться в області ядра галактики. Її довжина становить 27 тис. світлових років. Тут панують старі зірки, червоні гіганти, зірковою матерією яких живляться чорні дірки. У цій галузі сконцентровано основну частину молекулярного водню, який виступає основним будівельним матеріалом процесу зіркоутворення.
Геометрично структура галактики виглядає досить легко. Кожен спіральний рукав, а їх у Чумацького шляху цілих чотири, бере свій початок із газового кільця. Рукави розходяться під кутом 20⁰. На зовнішніх межах галактичного диска основним елементом є атомарний водень, який поширюється від центру галактики до периферії. Товщина водневого шару на околицях Чумацького шляху значно ширша, ніж у центрі, причому щільність його вкрай низька. Розрядженню водневого шару сприяє вплив карликових галактик, які невідлучно випливають з нашою галактикою протягом десятків мільярдів років.
Теоретичні моделі нашої галактики
Ще давні астрономи намагалися довести, що видима смуга на небосхилі — це частина величезного зіркового диска, що обертається довкола свого центру. Цьому твердженню сприяли математичні підрахунки. Отримати уявлення про нашу галактику вдалося лише через тисячі років, коли на допомогу науці прийшли інструментальні методи дослідження космосу. Проривом у дослідженні природи Чумацького шляху стала робота англійця Вільяма Гершеля. В 1700 він зумів досвідченим шляхом довести, що наша галактика має форму диска.
Вже нашого часу дослідження прийняли інший оборот. Вчені робили ставку в порівнянні руху зірок, між якими була різна відстань. Методом паралаксу Якоб Каптейн зумів приблизно визначити діаметр галактики, який, за його розрахунками, становить 60-70 тис. світлових років. Відповідно було визначено місце Сонця. Виявилося, що воно знаходиться порівняно далеко від бурхливого центру галактики і на пристойному віддаленні від периферії Чумацького шляху.
Основною теорією існування галактик є теорія американського астрофізика Едвіна Хаббла. Йому належить ідея класифікувати всі гравітаційні утворення, поділяючи їх на еліптичні галактики та утворення спірального типу. Останні, спіральні галактики представляють найбільшу групу, до якої входять утворення різних розмірів. Найбільшою із нещодавно відкритих спіральних галактик є NGC 6872, діаметр якої перевищує 552 тис. світлових років.
Очікуване майбутнє та прогнози
Галактика Чумацький Шлях виглядає компактною та впорядкованою гравітаційною освітою. На відміну від своїх сусідів у нашому міжгалактичному будинку досить спокійно. Чорні дірки планомірно впливають на галактичний диск, зменшуючи їх у розмірах. Цей процес уже триває десятки мільярдів років і скільки ще триватиме — невідомо. Єдина загроза, яка нависає над нашою галактикою, походить від її найближчої сусідки. Галактика Андромеда швидко зближується з нами. Вчені припускають, що зіткнення двох гравітаційних систем може статися через 4,5 млрд років.
Подібна зустріч-злиття означатиме кінець того світу, в якому ми звикли жити. Чумацький Шлях, менший за розмірами, буде поглинений більшою освітою. Замість двох великих спіральних утворень у Всесвіті з'явиться нова еліптична галактика. До цього часу наша галактика зможе розправитися зі своїми супутниками. Дві карликові галактики - Велике і Мале Магелланові Хмари - Чумацький Шлях поглине через 4 млрд. років.
Якщо вам набридла реклама на цьому сайті - скачайте наш мобільний додаток тут: https://play.google.com/store/apps/details?id=com.news.android.military або нижче, клацнувши на логотип Google Play. Там ми зменшили кількість рекламних блоків спеціально для нашої постійної аудиторії.
Також у додатку:
- ще більше новин
- оновлення 24 години на добу
- Повідомлення про головні події
Якщо у вас виникли питання – залишайте їх у коментарях під статтею. Ми чи наші відвідувачі з радістю відповімо на них
Люди з давніх часів цікавилися віком Всесвіту. І хоча в неї не можна спитати паспорта, щоб подивитися дату народження, сучасна наука змогла відповісти на це питання. Щоправда, лише зовсім недавно.
Паспорт Всесвіту Астрономи детально вивчили ранню біографію Всесвіту. Але щодо її точного віку вони мали сумніви, які вдалося розвіяти лише в останні пару десятків років.
Олексій Левін
Мудреці Вавилону та Греції вважали світобудову вічною і незмінною, а індуїстські хроністи в 150 році до н.е. визначили, що йому в точності 1972949091 рік (до речі, по порядку величини вони не сильно помилилися!). У 1642 році англійський теолог Джон Лайтфут шляхом скрупульозного аналізу біблійних текстів обчислив, що створення світу довелося на 3929 до н.е.; Через кілька років ірландський єпископ Джеймс Ашер пересунув його на 4004 рік. Засновники сучасної науки Йоганн Кеплер і Ісаак Ньютон теж не пройшли повз цю тему. Хоча вони апелювали не лише до Біблії, а й до астрономії, їх результати виявилися схожими на обчислення богословів – 3993 та 3988 роки до н.е. У наш освічений час вік Всесвіту визначають іншими способами. Щоб побачити їх в історичній проекції, спочатку поглянемо на власну планету та її космічне оточення.
Астрономи детально вивчили ранню біографію Всесвіту. Але щодо її точного віку вони мали сумніви, які вдалося розвіяти лише в останні пару десятків років.
Ворожіння по камінню
З другої половини XVIII століття вчені почали оцінювати вік Землі та Сонця на основі фізичних моделей. Так, у 1787 році французький натураліст Жорж-Луї Леклерк дійшов висновку, що якби наша планета при народженні була кулею з розплавленого заліза, їй потрібно було б від 75 до 168 тисяч років, щоб охолонути до нинішньої температури. Через 108 років ірландський математик та інженер Джон Перрі наново прорахував теплову історію Землі та визначив її вік у 2-3 млрд років. На початку XX століття лорд Кельвін дійшов висновку, що й Сонце поступово стискається і світить винятково з допомогою вивільнення гравітаційної енергії, його вік (і, отже, максимальний вік Землі та інших планет) може становити кілька сотень мільйонів років. Але на той час геологи не змогли ні підтвердити, ні спростувати ці оцінки через відсутність надійних методів геохронології.
У середині першого десятиліття ХХ століття Ернест Резерфорд та американський хімік Бертрам Болтвуд розробили основи радіометричної датування земних порід, яка показала, що Перрі був набагато ближчим до істини. У 1920-х було знайдено зразки мінералів, чий радіометричний вік наближався до 2 млрд. років. Пізніше геологи неодноразово підвищували цю величину, і на сьогодні вона зросла більш ніж удвічі — до 4,4 млрд. Додаткові дані надає дослідження «небесного каміння» — метеоритів. Майже всі радіометричні оцінки їхнього віку укладаються в інтервал 4,4-4,6 млрд років.
Сучасна геліосейсмологія дозволяє безпосередньо визначити вік Сонця, який, за останніми даними, становить 4,56 - 4,58 млрд років. Оскільки тривалість гравітаційної конденсації протосонячної хмари обчислювалася лише мільйонами років, можна впевнено стверджувати, що від початку цього процесу до наших днів минуло не більше 4,6 млрд років. При цьому сонячна речовина містить безліч елементів важчих за гелій, які утворилися в термоядерних топках масивних зірок колишніх поколінь, що вигоріли і вибухнули надновими. Це означає, що довжина існування Всесвіту сильно перевищує вік Сонячної системи. Щоб визначити міру цього перевищення, потрібно вийти спочатку до нашої Галактики, а потім і за її межі.
Ідучи за білими карликами
Час життя нашої Галактики можна визначати різними способами, але ми обмежимося двома найнадійнішими. Перший метод ґрунтується на моніторингу світіння білих карликів. Ці компактні (приблизно із Землю величиною) і спочатку дуже гарячі небесні тіла є кінцевою стадією життя практично всіх зірок за винятком наймасивніших. Для перетворення на білий карлик зірка має повністю спалити все своє термоядерне паливо та зазнати кількох катаклізмів — наприклад, на якийсь час стати червоним гігантом.
Природний годинник
Згідно з радіометричним датуванням, найстарішими породами на Землі зараз вважаються сірі гнейси узбережжя Великого Невільничого озера на північному заході Канади — їх вік визначено 4,03 мільярда років. Ще раніше (4,4 мільярда років тому) кристалізувалися дрібні зерна мінералу циркону, природного силікату цирконію, знайдені в гнейсах на заході Австралії. А раз у ті часи вже існувала земна кора, наша планета має бути дещо старшою.
Що стосується метеоритів, найбільш точну інформацію дає датування кальцієво-алюмінієвих вкраплень у речовині кам'яновугільних хондритових метеоритів, яке практично не змінилося після його формування з газо-пилової хмари, що оточувала новонароджене Сонце. Радіометричний вік подібних структур у метеориті Єфремівка, знайденому 1962 року в Павлодарській області Казахстану, становить 4 мільярди 567 мільйонів років.
Типовий білий карлик майже повністю складається з іонів вуглецю та кисню, занурених у вироджений електронний газ, та має тонку атмосферу, у складі якої домінують водень чи гелій. Його поверхнева температура становить від 8000 до 40000 К, тоді як центральна зона нагріта до мільйонів і навіть десятків мільйонів градусів. Згідно з теоретичними моделями, можуть також народжуватися карлики, що складаються переважно з кисню, неону та магнію (у які за певних умов перетворюються зірки з масою від 8 до 10,5 або навіть до 12 сонячних мас), проте їх існування ще не доведено. Теорія також стверджує, що зірки, що мінімум удвічі поступаються Сонцю по масі, закінчують життя у вигляді гелієвих білих карликів. Такі зірки дуже численні, проте вони спалюють водень вкрай повільно і тому живе багато десятків і сотень мільйонів років. Поки що їм просто забракло часу, щоб вичерпати водневе пальне (дуже нечисленні гелієві карлики, виявлені до теперішнього часу, живуть у подвійних системах і з'явилися зовсім іншим шляхом).
Якщо білий карлик не може підтримувати реакції термоядерного синтезу, він світить за рахунок накопиченої енергії і тому повільно остигає. Темпи цього охолодження можна обчислити і на цій основі визначити час, потрібний для зниження температури поверхні від початкової (для типового карлика це приблизно 150 000 К) до спостережуваної. Оскільки нас цікавить вік Галактики, слід шукати довгоживучі, а тому й найхолодніші білі карлики. Сучасні телескопи дозволяють виявити внутрішньогалактичні карлики з температурою поверхні менше 4000 К, світність яких у 30 000 разів поступається сонячною. Поки що їх не знайдено — або їх немає взагалі, або мало. Звідси випливає, що наша Галактика не може бути старшою за 15 млрд років, інакше вони були б присутніми в помітних кількостях.
Для датування гірських порід використовується аналіз вмісту продуктів розпаду різних радіоактивних ізотопів. Залежно від типу порід та термінів датування використовуються різні пари ізотопів.
Це верхня межа віку. А що можна сказати про нижню? Найхолодніші з нині відомих білих карликів були зареєстровані космічним телескопом «Хаббл» у 2002 та 2007 роках. Обчислення показали, що їхній вік становить 11,5 — 12 млрд років. До цього ще треба додати вік зірок-попередниць (від півмільярда до мільярда років). Звідси випливає, що Чумацький Шлях не молодший 13 млрд років. Отже, остаточна оцінка його віку, отримана на основі спостереження білих карликів, — приблизно 13—15 млрд років.
Кульові свідоцтва
Другий метод заснований на дослідженні кулястих зоряних скупчень, що знаходяться в периферійній зоні Чумацького Шляху і обертаються навколо його ядра. Вони містять від сотень тисяч до понад мільйона зірок, пов'язаних взаємним тяжінням.
Кульові скупчення є практично у всіх великих галактиках, причому їх кількість часом сягає багатьох тисяч. Нові зірки там практично не народжуються, зате літні світила є надлишком. У нашій Галактиці зареєстровано близько 160 таких кульових скупчень, і, можливо, буде відкрито ще два-три десятки. Механізми формування не цілком зрозумілі, проте, найімовірніше, багато хто з них виникли невдовзі після народження самої Галактики. Тому датування формування найдавніших кульових скупчень дозволяє встановити нижню межу галактичного віку.
Таке датування дуже складне технічно, але в основі його лежить дуже проста ідея. Всі зірки скупчення (від надмасивних до найлегших) утворюються з одного разом газової хмари і тому народжуються практично одночасно. З часом вони випалюють основні запаси водню - одні раніше, інші пізніше. На цій стадії зірка залишає головну послідовність і зазнає серії перетворень, які завершуються або повним гравітаційним колапсом (за яким слідує формування нейтронної зірки або чорної дірки), або виникненням білого карлика. Тому вивчення складу кульового скупчення дозволяє досить точно визначити його вік. Для надійної статистики кількість вивчених скупчень має становити щонайменше кілька десятків.
Таку роботу три роки тому виконала команда астрономів, які скористалися камерою ACS (Advanvced Camera for Survey) космічного телескопа «Хаббл». Моніторинг 41 кульового скупчення нашої Галактики показав, що їхній середній вік становить 12,8 млрд. років. Рекордсменами виявилися скупчення NGC 6937 та NGC 6752, віддалені від Сонця на 7200 та 13 000 світлових років. Вони майже напевно не молодші за 13 млрд років, причому найбільш ймовірний час життя другого скупчення -13,4 млрд років (щоправда, з похибкою плюс-мінус мільярд).
Зірки маси порядку сонячної у міру вичерпання запасів водню набрякають і переходять у категорію червоних карликів, після чого їхнє гелієве ядро при стисканні розігрівається і починається горіння гелію. Через деякий час зірка скидають оболонку, утворюючи планетарну туманність, а потім переходить у категорію білих карликів і далі остигає.
Проте ж наша Галактика має бути старшою за свої скупчення. Її перші надмасивні зірки вибухали надновими і викидали в космос ядра багатьох елементів, зокрема ядра стабільного ізотопу берилію-берилію-9. Коли почали формуватися кульові скупчення, їх новонароджені зірки вже містили берилій, причому тим більше, чим вони виникли. За змістом берилію в їх атмосферах можна з'ясувати, наскільки скупчення молодше Галактики. Як свідчать дані щодо скупчення NGC 6937, ця різниця становить 200 - 300 млн років. Так що без великої натяжки можна сказати, що вік Чумацького Шляху перевищує 13 млрд років і, можливо, сягає 13,3 — 13,4 млрд. Це практично така ж оцінка, як і зроблена на підставі спостереження білих карликів, але отримана зовсім іншим способом.
Закон Хаббла
Наукова постановка питання про вік Всесвіту стала можливою лише на початку другої чверті минулого століття. Наприкінці 1920-х років Едвін Хаббл і його помічник Мілтон Хьюмасон зайнялися уточненням відстаней до десятків туманностей за межами Чумацького Шляху, які лише кількома роками раніше стали вважати самостійними галактиками.
Ці галактики віддаляються від Сонця з радіальними швидкостями, які були виміряні за величиною червоного усунення їх спектрів. Хоча дистанції до більшості таких галактик вдалося визначити з великою похибкою, Хаббл все ж таки з'ясував, що вони приблизно пропорційні радіальним швидкостям, про що і написав у статті, опублікованій на початку 1929 року. Через два роки Хаббл і Хьюмасон підтвердили цей висновок на підставі результатів спостережень інших галактик — деякі з них віддалені більш ніж на 100 млн світлових років.
Ці дані лягли основою уславленої формули v=H0d, відомої як закон Хаббла. Тут v — радіальна швидкість галактики стосовно Землі, d — відстань, H0 — коефіцієнт пропорційності, розмірність якої, як легко бачити, зворотна розмірності часу (раніше його називали постійною Хаббла, що невірно, оскільки в попередні епохи величина H0 була іншою, ніж в наш час). Сам Хаббл та ще багато астрономів довгий час відмовлялися від припущень про фізичний зміст цього параметра. Проте Жорж Леметр ще 1927 року показав, що загальна теорія відносності дозволяє інтерпретувати розліт галактик як свідчення розширення Всесвіту. Чотирьма роками пізніше він мав сміливість довести цей висновок до логічного кінця, висунувши гіпотезу, що Всесвіт виник з практично точкового зародка, який він, за відсутності кращого терміна, назвав атомом. Цей первородний атом міг перебувати в статичному стані будь-який час аж до нескінченності, проте його «вибух» породив простір, що розширюється, заповнений матерією і випромінюванням, яке за кінцевий час дав початок нинішньому Всесвіту. Вже у своїй першій статті Леметр вивів повний аналог хаблівської формули і, маючи відомі на той час дані про швидкості і дистанції ряду галактик, отримав приблизно таке ж значення коефіцієнта пропорційності між дистанціями і швидкостями, що і Хабл. Однак його статтю було надруковано французькою мовою в маловідомому бельгійському журналі і спочатку залишилося непоміченим. Більшості астрономів вона стала відома лише 1931 року після публікації її англійського перекладу.
Еволюція Всесвіту визначається початковою швидкістю її розширення, а також впливом гравітації (у тому числі темної матерії) та антигравітації (темної енергії). Залежно від співвідношення між цими факторами графік розміру Всесвіту має різну форму і в майбутньому, і в минулому, що впливає на оцінку її віку. Поточні спостереження показують, що Всесвіт розширюється експоненційно (червоний графік).
Хаблівський час
З цієї роботи Леметра і пізніших праць як самого Хаббла, так і інших космологів прямо випливало, що вік Всесвіту (природно, відрахований від початкового моменту його розширення) залежить від величини 1/H0, яку тепер називають хабблівським часом. Характер цієї залежності визначається конкретною моделлю світобудови. Якщо вважати, що ми живемо в плоскому Всесвіті, заповненому гравітуючим речовиною та випромінюванням, то для обчислення її віку 1/H0 треба помножити на 2/3.
Ось тут і виникла загвоздка. З вимірів Хаббла і Хьюмасона випливало, що чисельна величина 1/H0 приблизно дорівнює 1800000000 років. Звідси випливало, що Всесвіт народився 1,2 млрд років тому, що явно суперечило навіть заниженим на той час оцінкам віку Землі. З цієї скрути можна було виплутатися, припустивши, що галактики розлітаються повільніше, ніж вважав Хаббл. Згодом це припущення підтвердилося, але проблеми так і не вирішило. Згідно з даними, отриманими до кінця минулого століття за допомогою оптичної астрономії, 1/H0 становить від 13 до 15 млрд. років. Так що розбіжність все ж таки залишалася, оскільки простір Всесвіту як вважалося, так і вважається плоским, а дві третини хаблівського часу значно менше навіть найскромніших оцінок віку Галактики.
Порожній світ
Згідно з останніми вимірами параметра Хаббла нижня межа хаблівського часу становить 13,5 мільярда років, а верхня — 14 мільярдів. Виходить, що нинішній вік Всесвіту приблизно дорівнює нинішньому хабблівському часу. Така рівність повинна суворо і незмінно дотримуватися абсолютно порожнього Всесвіту, де немає ні гравітуючої матерії, ні антигравітуючих полів. Але ж у нашому світі вистачає і того, й іншого. Справа в тому, що простір спочатку розширювався з уповільненням, потім швидкість його розширення почала зростати, і у нинішню епохуці протилежні тенденції майже компенсували одна одну.
У загальному вигляді ця суперечність була усунена в 1998 - 1999 роках, коли дві команди астрономів довели, що останні 5 - 6 млрд років космічний простір розширюється не з падаючою, а зростаючою швидкістю. Це прискорення зазвичай пояснюють тим, що у нашому Всесвіті зростає вплив антигравітаційного фактора, так званої темної енергії, густина якої не змінюється з часом. Оскільки щільність гравітуючої матерії зменшується в міру розширення Космосу, темна енергія все успішніше конкурує з тяжінням. Тривалість існування Всесвіту з антигравітаційною компонентою не повинна дорівнювати двом третинам хабловского часу. Тому відкриття розширення Всесвіту, що прискорюється, (відзначене в 2011 році Нобелівською премією) дозволило усунути розстикування між космологічними та астрономічними оцінками часу її життя. Він також став прелюдією до розробки нового методу датування її народження.
Космічні ритми
30 червня 2001 NASA відправило в космос зонд Explorer 80, через два роки перейменований в WMAP, Wilkinson Microwave Anisotropy Probe. Його апаратура дозволила реєструвати температурні флуктуації мікрохвильового реліктового випромінювання з кутовим дозволом менше трьох десятих градусів. Тоді вже було відомо, що спектр цього випромінювання майже повністю збігається зі спектром ідеального чорного тіла, нагрітого до 2,725 К, а коливання його температури при «крупнозернистих» вимірах з кутовим роздільною здатністю в 10 градусів не перевищують 0,000036 К. Однак на «дрібнозернистій» шкалі зонда WMAP амплітуди таких флуктуацій були у шість разів більшими (близько 0,0002 К). Реліктове випромінювання виявилося плямистим, тісно поцяткованим трохи більше і трохи менш нагрітими ділянками.
Флуктуації реліктового випромінювання породжені коливаннями густини електронно-фотонного газу, що колись заповнював космічний простір. Вона впала майже до нуля приблизно через 380 000 років після Великого вибуху, коли практично всі вільні електрони з'єдналися з ядрами водню, гелію та літію і тим самим започаткували нейтральні атоми. Поки що цього не сталося, в електронно-фотонному газі поширювалися звукові хвилі, на які впливали гравітаційні поля частинок темної матерії. Ці хвилі, або, як кажуть астрофізики, акустичні осциляції, наклали відбиток спектр реліктового випромінювання. Цей спектр можна розшифрувати за допомогою теоретичного апарату космології та магнітної гідродинаміки, що дає можливість по-новому оцінити вік Всесвіту. Як показують нові обчислення, його найімовірніша довжина становить 13,72 млрд років. Вона і вважається зараз стандартною оцінкою часу життя Всесвіту. Якщо взяти до уваги всі можливі неточності, допуски та наближення, можна зробити висновок, що, згідно з результатами зонда WMAP, Всесвіт існує від 13,5 до 14 млрд років.
Таким чином, астрономи, оцінюючи вік Всесвіту трьома у різний спосіб, отримали цілком сумісні результати. Тому тепер ми знаємо (або, висловлюючись обережніше, думаємо, що знаємо), коли виникла наша світобудова — принаймні з точністю до кількох сотень мільйонів років. Ймовірно, нащадки внесуть рішення цієї вікової загадки до переліку найчудовіших досягнень астрономії та астрофізики.
