20. Галактическая астрономия и космология

Классификация и строение галактик, их звездное население. Радиогалактики и квазары.

Вилья́м Гершель первым наблюдал галактики, назвал их туманностями.

Э двин Хаббл дал классификацию галактик:

1) эллиптические (E): их ≈25%, много старых звезд (красные гиганты и красные карлики); в них почти нет пыли и газа (они ушли на образование звезд);

2 ) спиральные (S), спиральные с баром-перемычкой (SB), >50%; идут процессы звездообразования, но их скорость мала.

наша галактика – Млечный путь (спиральная):

- d=100 тыс. световых лет (средний размер);

- звездное население ≈200 млрд. звезд;

- один оборот вокруг центра галактика совершает за 200 млн. лет;

- Солнце находится ближе к периферии;

- ближайшая галактика – туманность Андромеды (≈2 млн. световых лет).

3) неправильные (Irr): клочковатая форма (например, Магелланово облако), карлики, малая светимость, бурный процесс звездообразования, молодые звезды (голубые);

4 ) галактики с активными ядрами: мощное излучение от радио- до гамма-диапазона; светят в сотни раз ярче обычных галактик, находятся от нас очень далеко (ближайшие – 1 млрд. световых лет); гипотеза – это далекое прошлое Вселенной и галактик; квазар – яркое ядро таких галактик (внутри квазара – черная дыра); радиогалактикой называют тип галактик, которые обладают намного большим радиоизлучением по сравнению с остальными галактиками.

Крупномасштабная структура Вселенной - структура распределения материи на самых больших наблюдаемых масштабах.

♦ планеты: обращаются вокруг звезд;

♦ звезды: группируются в звёздные скопления; 

♦ звездные скопления: составляют галактики, имеющие собственную структуру – ядра, рукава, перемычки; 

♦ галактики: образуют скопления галактик, расстояние между скоплениями еще большее, чем между галактиками; 

♦ скопления галактик: образуют цепочки, составляющие структуру наподобие сотов; располагаются как бы в стенках сот по окраинам сравнительно пустых областей - «войдов»;

♦ соты из скоплений галактик (сверхскопления галактик): ячейки сот образуют сверхсоты, размеры ячеек которых составляют миллиарды световых лет;

♦ сверхсоты («листы», группы из сверхскоплений галактик).

♦ Вселенная представляет собой совокупность довольно плоских «листов», разделённых областями, в которых практически нет светящейся материи (войдами).

Например, планетарная система - Солнечная система, галактика: Млечный путь, скопление галактик: Местная группа (>50 галактик), сверхскопление галактик: Местное сверхскопление (сверхскопление Девы, размер 200 млн. св. лет), «Листы»: группа сверхскоплений Кита-Рыб.

Таким образом, Вселенная имеет фрактальную структуру, предполагающая зависимость масштаба структуры от размеров области (т.е. чем большую область мы исследуем, тем большего масштаба структуры в ней можно обнаружить). На масштабах порядка 300 Мпк (мегапарсек) Вселенная практически однородна (парсек - это такое расстояние, с которого средний радиус земной орбиты, перпендикулярный лучу зрения, виден под углом в одну угловую секунду (1 пк=3,26 св. года=30 трлн. км)).

Космологические идеи Эйнштейна: Эйнштейн считал, что Вселенная может быть пространственно-замкнутой (т.е. конечной): пространствен­ный объем Вселенной конечен; но границ у этого пространства нет; оно не распро­странено бесконечно во все стороны, а замыкается само на себя. Вселенная неподвижна. Но более поздние исследования показали, что Вселенная не может быть неподвижной (возникла теория нестационарной Вселенной).

Теория нестационарной вселенной (Фридман, Леметр).

Вселенная не может быть неподвижной, она должна расширяться либо сжиматься

Ф ридман выделил 3 возможных модели, соответствующие нестационарной Вселенной:

под действием сил тяготения Вселенная «схлопнется»

ρ – средняя плотность вещества во Вселенной

ρ_крит.≈10^-29 г/см³ (критическая плотность материи).

Красное смещение спектров, постоянная Хаббла.

М одель Фридмана точно подтверждается в непосредственных наблюдениях движений далеких галактик - в так называемом эффекте «красного смещения» в их спектрах, который свидетельствует о взаимном удалении всех достаточно далеких друг от друга галактик и их скоплений. Таким образом, в настоящее время наблюдается рас­ширение Вселенной.

,где v - скорость разбегания галактик, H – постоянная Хаббла.

t- время существования Вселенной.

H≈75 км/сек*Мпк.

t=13,5 млрд. лет (возраст Вселенной).

ρ_крит.≈10^-29 г/см³ (критическая плотность материи).

Теория «горячей Вселенной» Гамова и открытие реликтового излучения.

Теорию «Большого Взрыва» Георгия Гамова (1948 г.) называют моделью «горячей» Вселенной, имея в виду сверхвысокие температуры, при которых по этой теории происходят процессы на начальных этапах развития Вселенной.

♦ Вселенная возникла спонтанно в результате взрыва из состояния сингулярности (состояния с очень большой плотностью и энергией);

♦ по мере расширения Вселенной t˚ падала (сначала быстро, затем медленнее) от очень большой до довольно низкой, обеспечивающей условия, благоприятные для образования звезд и галактик;

♦ первый млн. лет t˚ превышала несколько тысяч градусов (вещество имело вид горячей плазмы из ионов водорода и гелия), это препятствовало образованию атомов;

♦ когда t˚ понизилась ≈ до t˚ поверхности Солнца, возникли первые атомы.

Таким образом, атомы – это реликты эпохи, наступившей через 1 млн. лет после Большого Взрыва.

Модель Гамова получила экспериментальное подтверждение после открытия в 1964 г. реликтового излучения, предсказанного Гамовым, с длиной волн ≈7 см (это остаточное эхо Большого Взрыва, раньше оно было мощнее, сейчас слабое).

Современные представления о Большом Взрыве.

Базируются на теории Гамова.