Підручник з Астрономії (рівень стандарту). 11 клас. Пришляк

§ 15. Будова Всесвіту

Вивчивши цей параграф, ми:

• довідаємося про будову Галактики — зоряної системи, де ми перебуваємо;

• побачимо інші галактики такими, якими вони були 10 млрд років тому;

• дізнаємося, чи має Всесвіт якусь межу в просторі.

1. Будова Галактики

Зорі в Галактиці утворюють певні системи, які тривалий час існують у спільному гравітаційному полі. Більшість зір рухається у подвійних та кратних системах, у яких компоненти обертаються навколо спільного центра мас подібно до обертання планет Сонячної системи. Найчисельніші системи об’єднання зір налічують сотні тисяч об’єктів — це зоряні скупчення та асоціації. Кулясті зоряні скупчення складаються з мільйонів зір (рис. 15.1). Розсіяні зоряні скупчення мають кілька тисяч об’єктів (найяскравіші з них Плеяди (Стожари) (рис. 14.2) та Гіади видно неозброєним оком у сузір’ї Тельця). У зоряні асоціації входять відносно молоді зорі, які мають спільне походження.

Галактику часто зображують як зоряну систему у вигляді велетенського млинця, у якому зорі рухаються в одній площині. Насправді Галактика має сферичну форму з діаметром майже 300000 св. років, але більшість зір великої світності розміщуються приблизно в одній площині, тому їх видно на небі як туманну світлу смугу, яку в Україні називають Чумацький Шлях. Назва Галактика прийшла з Давньої Греції і в перекладі означає Молочний Шлях (див. §1). Зверніть увагу, що всі яскраві зорі (сузір’я Оріон, Лебідь, Ліра, Орел) розташовуються у смузі Молочного Шляху. У цій площині розташовується значна частина газопилових туманностей (рис. 15.2), з яких утворюються нові покоління зір і планет. Усі ці об’єкти формують так звану плоску складову Галактики, до якої входить і Сонячна система (рис. 15.3).

Рис. 15.1. Кулясте зоряне скупчення М13 у сузір'ї Геркулес: відстань — 16000 св. років, діаметр — 75 св. років, кількість зір — 106

Рис. 15.2. Газопилова туманність Трифід у сузір'ї Стрільця

Рис. 15.3. Будова Галактики. У площині Галактики існують газопилові туманності, у яких народжуються молоді зорі та планетні системи

Старі зорі малої світності, які входять у кулясті скупчення, належать до сферичної складової Галактики. За хімічним складом зорі кулястих скупчень містять у сотні разів менше важких хімічних елементів, ніж Сонце, бо це зорі першого покоління, які сформувалися разом з утворенням Галактики ще 10—15 млрд років тому. Зародження молодих зір і планетних систем зараз відбувається тільки у площині Галактики, де газопилові туманності утворюються після вибуху Нових та Наднових зір.

2. Центр Галактики

Центр Галактики розташований у напрямку сузір’я Стрільця, але ця область захована від нас величезними хмарами пилу, який поглинає випромінювання у видимій частині спектра (рис. 15.4). У центрі Галактики розміщене ядро діаметром 1000—2000 пк. Існує гіпотеза, що у ядрі Галактики розташовується чорна діра з масою у мільйони разів більшою, ніж маса Сонця. У центрі Галактики, поблизу ядра, існує своєрідна опуклість — округлий виступ, де концентруються зорі й хмари гарячого газу, які розміщуються від нас на відстані майже 10000 пк. ЦІ хмари оточують центр Галактики щільним покривалом, тому за допомогою оптичних телескопів ми не можемо безпосередньо спостерігати її ядро. Тільки за допомогою радіотелескопів та телескопів інфрачервоного і рентгенівського діапазонів зареєстровано інтенсивне випромінювання центра (ядра) Галактики.

Рис. 15.4. Центр Галактики, який видно в напрямку сузір'я Стрільця

3. Обертання зір у Галактиці

Сонце розташоване поблизу площини Галактики на відстані 25000 св. років від її ядра. Вектор швидкості Сонця відносно найближчих зір спрямований до сузір’я Геркулес. Разом з усіма сусідніми зорями Сонце обертається навколо ядра Галактики зі швидкістю 250 км/с. Період обертання Сонця навколо ядра називається галактичним роком, який дорівнює 250000000 земних років. Аналіз швидкості обертання зір свідчить про суттєву відміну між поведінкою об’єктів у сферичній та плоскій складових Галактики. Якщо зорі плоскої складової обертаються навколо центра Галактики поблизу однієї площини, то зорі сферичної складової об’єднані у величезні кулясті скупчення, що обертаються навколо центра по витягнутих орбітах у різних площинах. До того ж, період обертання цих скупчень показує, що значна маса Галактики розподілена саме у сферичній складовій. Це можуть бути об’єкти малої маси, які не випромінюють енергію у видимій частині спектра, або чорні діри малої маси (рис. 15.5).

Рис. 15.5. Обертання зір у Галактиці

Однією з таємниць Галактики є так звані спіральні рукави, які зароджуються десь біля її центра. Сонце розташовується на периферії одного з таких рукавів, що закручений у площині галактичного диска. Астрономи вважають, що спіральні рукави виникають як спіральні хвилі густини, які створюються під час стиснення хмар міжзоряного газу на початковому етапі формування зір (див. § 14). У свою чергу, при виникненні зір у міжзоряних хмарах газу та пилу виникають ударні хвилі, що призводить до утворення молодих зір. Коли масивні зорі спалахують як Наднові, то теж утворюються нові туманності, й нові ударні хвилі поширюються у міжзоряному просторі. Тобто формування однієї групи зір забезпечує створення механізму для утворення нового покоління зір. Цей процес інколи називають формуванням зір за допомогою саморозмноження. Такий перебіг подій може формувати спіральні хвилі густини не тільки в нашій Галактиці, але й в інших спіральних галактиках.

Галактичний рік — період обертання Сонця навколо ядра Галактики. Триває 250 млн земних років

Спіральні рукави виникають у деяких галактиках як дивні хвилі густини, де формуються нові покоління зір

4. Найближчі сусіди Галактики

Спостерігаючи інші галактики, астрономи звернули увагу на те, що не всі вони мають спіральну структуру. За зовнішнім виглядом існують три типи галактик — спіральні, еліптичні та неправильні. Наша Галактика, так само як і галактика в сузір’ї Андромеди М31, належить до спіральних. Вони мають схожий вигляд, майже однакові розміри і приблизно однакову кількість зір. Галактика М31 розташована на відстані 2 млн св. років від Землі — це найдальший об’єкт у Всесвіті, який ще можна спостерігати неозброєним оком (рис. 15.6). Найближчі до нас галактики, Велику та Малу Магелланові Хмари (ВМХ, ММХ), можна побачити на небі Південної півкулі.

Найближчі галактики

Назва

Відстань, св. рік

Видима зоряна величина

ВМХ

1,6 • 105

+0,6m

ММХ

1,8 • 105

+2,8m

М 31

2,3 • 106

+4,3m

М 32

2 • 106

+9,1m

М 33

2 • 106

+6,2m

Рис. 15.6. Галактику M31 у сузір'ї Андромеди видно неозброєним оком — вона розташовується на відстані 2,3 млн св. років

У спіральних рукавах галактик зараз відбувається інтенсивне народження молодих зір та формування планетних систем, у той час як в еліптичних галактиках більше старих жовтих та червоних зір. Можливо, що в еліптичних галактиках процес утворення зір уже закінчився.

5. Розподіл галактик у Всесвіті

Спостерігаючи гравітаційну взаємодію планет і зір, астрономи звернули увагу на своєрідну ієрархічну структуру руху космічних тіл:

1. Планети та їхні супутники, що обертаються навколо своєї зорі.

2. Зоряні скупчення, які налічують тисячі й навіть мільйони об’єктів.

3. Галактики об’єднують у спільне гравітаційне поле сотні мільярдів зір, які обертаються навколо одного ядра.

4. Скупчення галактик, які налічують мільйони об’єктів.

Рис. 15.7. Скупчення галактик у сузір'ї Волосся Вероніки

Велика стіна

Величезні скупчення галактик у напрямку сузір'їв Діви і Волосся Вероніки

Наша Галактика й галактика М31 входять до Місцевої групи галактик. Найбільші скупчення галактик спостерігаються у сузір’ях Діви та Волосся Вероніки (рис. 15.7). У цьому напрямку астрономи відкрили своєрідну Велику стіну, де на відстані 500 млн св. років виявляється значне збільшення кількості галактик у порівнянні з іншими напрямками.

Окремі галактики взаємодіють між собою, навіть відбуваються їхні зіткнення, коли одна галактика поглинає іншу,— спостерігається своєрідний галактичний «канібалізм» (рис. 15.8). На останній, четвертій, ступені ієрархічної структури скупчення галактик майже не взаємодіють між собою, тому не виявлено якогось спільного центра, навколо якого могли б обертатися мільйони галактик.

Ще однією характерною рисою розподілу галактик у просторі є те, що вони розміщені у Всесвіті у великому масштабі не хаотично, а утворюють дуже дивні структури, які нагадують величезні сітки з волокон. Ці волокна оточують гігантські, відносно пусті області — порожнечі. Деякі порожнечі мають діаметр 300 млн св. років — на сьогодні це найбільші відомі утворення у Всесвіті. Імовірнішим поясненням цієї волокнистої структури Всесвіту є те, що галактики у просторі розташовані на поверхні величезних бульбашок, а порожнечі є їхньою внутрішньою областю. З поверхні Землі нам тільки здається, що галактики розташовані подібно до намиста, яке нанизане на волокнах, бо ми їх бачимо на обідках величезних космічних бульбашок (рис. 15.9). Найбільшим із таких космічних волокон у структурі галактик і є Велика Стіна завдовжки 600 млн св. років і завширшки 200 млн св. років. Просторова модель Всесвіту нагадує шматок пемзи, який у цілому має однорідну структуру, але окремі об’єкти мають порожнини.

Рис. 15.8. Зіткнення галактик

Рис. 15.9. Волокниста структура Всесвіту. Галактики розташовані на поверхні величезних бульбашок, а ми їх бачимо у вигляді намиста

6. Закон Габбла

У 1929 р. американський астроном Е. Габбл досліджував спектри галактик і звернув увагу на те, що лінії поглинання у всіх спектрах зміщені в червоний бік. Згідно з ефектом Допплера, це свідчить про те, що всі галактики від нас віддаляються. Крім того, за допомогою величини зміщення спектральних ліній можна визначити швидкість, з якою галактики віддаляються. Виявилося, що швидкість, з якою «тікають» від нас інші галактики, збільшується прямо пропорційно відстані до цих галактик (закон Габбла): V=Hr, де V — швидкість галактики, Н — стала Габбла, г — відстань до галактики в мегапарсеках. За останніми вимірами Н≈70 км/(с • Мпк).

Розлітання галактик — дивний процес розширення Всесвіту, який супроводжується збільшенням відстаней між галактиками

Стала Габбла

На 70 км/(с • Мпк) Швидкість розлітання галактик збільшується на 70 км/с на кожний мільйон парсеків

Для допитливих

Згідно із законом Габбла, якщо відоме зміщення спектральних ліній, то можна визначити швидкість галактики, а отже, і відстань до неї. Найвіддаленіший об'єкт, який удалося зареєструвати, розташований на відстані 14 млрд св. років і має швидкість 280000 км/с. Тобто ми його бачимо в той час, коли ще не було не тільки нашої Землі та Сонця, але не існувало навіть нашої Галактики. На перший погляд здається, що наша Галактика розташовується в центрі цього розширення, але виявляється, що ніякого центра у Всесвіті не існує. Мешканець будь-якої іншої галактики буде спостерігати таке саме розширення, тому він може вважати, що його галактика теж розташована в центрі Всесвіту.

7. Моделі Всесвіту

Для побудови моделі Всесвіту необхідно дати відповідь на таке запитання: «Чи має Всесвіт якусь межу у просторі?». Нескінченний і безмежний у просторі та часі Всесвіт привертає до себе увагу тим, що він не має країв і містить нескінченну кількість зір та галактик.

Але в такому вічному та безмежному Всесвіті виникають суперечності, які в астрономії називають космологічними парадоксами. Існують три космологічні парадокси: фотометричний, гравітаційний та «теплої смерті» Всесвіту.

Ми розглянемо тільки фотометричний парадокс, який був сформульований у 1744 р. швейцарським астрономом Ж. Шезо та доповнений німецьким астрономом І. Ольберсом у 1826 р. Коротко суть цього парадокса можна виразити в такому запитанні: «Якщо Всесвіт нескінченний, то чому вночі темно?». Здається, що на це запитання зможе відповісти кожний учень, адже зміну дня і ночі

Космологічні парадокси — суперечності, які виникають у вічному та безмежному Всесвіті вивчають у початковій школі. Але треба пам’ятати: над нічною поверхнею Землі світить безліч зір безмежного Всесвіту, які випромінюють нескінченну кількість енергії, тому освітлення від зір і галактик має бути не меншим за освітлення, яке створює Сонце. Але з власного досвіду ми бачимо, що вночі небо набагато темніше, ніж удень. Математики запропонували таку модель Всесвіту, у якій можна спростувати фотометричний парадокс. Всесвіт може бути безмежним, але скінченним. В одновимірному просторі такий безмежний скінченний світ — це звичайне коло або будь-яка інша замкнена крива (рис. 15.10). Зачинений двовимірний простір — поверхня сфери, яка не має межі, але площа поверхні сфери є скінченною величиною (рис. 15.11).

Рис. 15.10. Коло може служити моделлю безмежного одновимірного світу, який має скінченну довжину. У такому просторі можна зробити навколосвітню мандрівку й повернутися на місце старту

Ми живемо у тривимірному просторі, і важко уявити собі такий закритий Всесвіт, який не має межі, але має скінченний об’єм і, отже, обмежену кількість зір і галактик. У такому Всесвіті немає центра, всі точки в ньому рівноправні й у всіх напрямках простір однорідний. На практиці важко перевірити, у якому просторі мешкають якісь істоти, і дізнатися, чи є простір скінченним. Якщо простір закритий, то мандрівник, подорожуючи в одному напрямку, може зробити кругосвітню мандрівку й повернутися в точку старту. В історії земної цивілізації першу таку подорож здійснив Магеллан (1480—1521), який довів, що поверхня Землі є закритим двовимірним простором.

У тривимірному Всесвіті космонавти ніколи не зможуть завершити таку навколосвітню мандрівку, тому перевірку можна зробити тільки за допомогою теоретичних міркувань, які ми розглянемо в наступному параграфі.

Рис. 15.11. Сфера може бути моделлю двовимірного безмежного світу, який має скінченну площу. У такому просторі теж можна здійснити кругосвітню подорож — так Магеллан довів, що поверхня Землі не має межі

Висновки

Всесвіт має складну комірчасту структуру, у якій відбувається гравітаційна взаємодія всіх космічних тіл. Навколо зір обертаються інші зорі й планети. Крім того, зорі утворюють величезні скупчення, які налічують сотні тисяч і мільйони об'єктів. У спільному полі тяжіння галактик розташовуються уже сотні мільярдів зір, які обертаються навколо спільного центра. Галактики теж утворюють окремі скупчення, які розміщені у великому масштабі не хаотично, а утворюють дуже дивні структури, що нагадують величезні сітки з волокон. Ми живемо у Всесвіті, який розширюється у безмежному просторі.

Тести

1. Слово галактика в перекладі з грецької мови означає:

А. Чумацький Шлях. Б. Сріблястий шлях. В. Чорний шлях. Г. Велика дорога. Д. Молочний Шлях.

2. Що розташоване в центрі Галактики?

А. Зоряне скупчення. Б. Чорна діра. В. Червоний гігант. Г. Білий карлик. Д. Чорна хмара.

3. Галактичний рік визначає:

А. Період обертання Галактики навколо осі. Б. Період обертання Сонця навколо центра Галактики. В. Відстань, яку пролітає світло до галактики в Андромеді. Г. Період обертання Галактики навколо центра світу. Д. Період обертання зір сферичної складової навколо центра Галактики.

4. Термін Велика стіна в астрономії означає:

А. Зародження нових зір і планетних систем. Б. Величезне скупчення галактик у напрямку сузірї'в Діви і Волосся Вероніки. В. Оборонні споруди, які створили галактичні цивілізації. Г. Скупчення газу і пилу в міжгалактичному просторі. Д. Скупчення невідомої темної речовини, яка поглинає світло далеких галактик.

5. Згідно із законом Габбла, всі галактики розлітаються в різних напрямках. Що розташоване у центрі цього розширення?

А. Земля. Б. Наша Галактика. В. Галактика M31 у сузір'ї Андромеди. Г. Скупчення галактик у сузір'ї Діви. Д. Центра не існує, бо в безмежному Всесвіті відсутні центр та околиці.

6. Які зорі входять у плоску складову Галактики?

7. Які структури мають галактики?

8. Як за допомогою закону Габбла можна виміряти відстань до галактик?

9. Чи можуть відбуватися зіткнення галактик?

10. Обчисліть, з якою швидкістю віддаляється від нас галактика, якщо світло від неї летить до Землі 4 • 108 р.

Диспути на запропоновані теми

11. Спробуйте пояснити фотометричний парадокс безмежного і нескінченного Всесвіту (парадокс Ольберса): «Якщо Всесвіт нескінченний, то чому вночі темно?».

Завдання для спостережень

12. Визначте, через які сузір'я проходить Молочний Шлях.

13. Відшукайте, у якому напрямку розташований центр Галактики. Коли сходить і заходить центр Галактики на день вашого народження?

14. Знайдіть на небі Туманність Андромеди (галактику у сузір'ї Андромеди). У яку пору року цю галактику видно всю ніч?

Ключові поняття і терміни:

Велика Стіна, галактичне ядро, галактичний рік, зоряні скупчення, розлітання галактик, спіральні галактики, стала Габбла.