Галактики: что это, как они выглядят и сколько их во Вселенной
Мы живем в галактике Млечный Путь. Солнечная система находится не в центре, а ближе к окраине одного из спиральных рукавов, но это все равно очень насыщенное событиями место. Вокруг кипит жизнь: рождаются и умирают звезды, светятся туманности, движутся звездные скопления, иногда вспыхивают сверхновые.
Но Млечный Путь — только одна галактика среди миллиардов других. Одни галактики похожи на большие спирали с рукавами, другие выглядят вытянутыми или почти круглыми, третьи вообще не имеют четкой формы. У каждой своя история: где-то активно рождаются звезды, где-то этот процесс почти остановился, а в центрах многих галактик скрываются сверхмассивные черные дыры.
Разберемся, что такое галактики, из чего они состоят, какими бывают и как из этих гигантских звездных систем складывается видимая Вселенная.
Что такое галактика
Галактика — это огромная гравитационно связанная система из звезд, газа, пыли, темной материи и разных космических объектов: туманностей, звездных скоплений, планетных систем, остатков сверхновых. Все это удерживается вместе общей гравитацией и движется вокруг общего центра масс. В центре крупных галактик обычно находится сверхмассивная черная дыра — и Млечный Путь не исключение.
Сегодня мы знаем, что галактик во Вселенной очень много. Но еще в начале XX века это не было очевидно. Астрономы видели на небе странные объекты — одни были круглыми, другие вытянутыми, у некоторых даже будто бы просматривались спиральные рукава, — но не понимали, что это такое. Даже в большие телескопы они выглядели как размытые пятна, поэтому их просто называли туманностями.
В 1920 году существовали две конкурирующие идеи о Вселенной. Спорили два астронома: исследователь Млечного Пути Харлоу Шепли и специалист по спиральным туманностям Гебер Кертис. Шепли утверждал, что Млечный Путь — это и есть вся Вселенная, а все, что мы видим, включая туманности, находится внутри него. Кертис считал, что наша галактика — одна из многих. Спиральные туманности на небе тоже похожи на Млечный Путь, а значит, они могут быть самостоятельными системами.
Их выступления вошли в историю науки как «Большой спор». Победителем из этого спора никто не вышел: у обеих сторон были неполные данные, а некоторые наблюдения, на которые они опирались, позже признали ошибочными.
Например, Шепли ссылался на наблюдение, по которому одна из спиральных туманностей будто бы вращалась. Если бы это было так, объект должен был быть сравнительно небольшим: огромная галактика не могла бы заметно повернуться за человеческое время наблюдений. Это оказалось ошибкой, причем очень серьезной.
У Кертиса тоже были слабые места. Он говорил: если галактики действительно такие большие, как считал Шепли, то есть в размерах достигают сотен тысяч световых лет, тогда другие галактики должны находиться на невозможных расстояниях. Как оказалось позже, именно так все и было: галактики действительно настолько огромны, а расстояния между ними действительно измеряются миллионами световых лет.
Наблюдение, окончательно разрешившее эту загадку, было сделано всего через несколько лет. Американский астроном Эдвин Хаббл изучал M31 — большую спиральную туманность в созвездии Андромеды. Он работал с 100-дюймовым телескопом Хукера, крупнейшим телескопом своего времени, и нашел в туманности десятки пульсирующих, то есть регулярно меняющих свою яркость, звезд.
Эти звезды называют цефеидами, и они сыграли решающую роль. На тот момент уже было известно, что период их пульсации зависит от светимости, то есть от того, сколько энергии они излучают. Поэтому, измерив период, можно определить истинную светимость цефеиды, сравнить ее с видимой яркостью и рассчитать расстояние до нее.
Какая звезда самая яркая на ночном небе, как она называется и где находится
Расстояние до M31 получилось равным 900 тысячам световых лет (современное значение еще больше — примерно 2,5 млн световых лет). Это явно выходило за пределы даже самых крупных оценок размера Млечного Пути. Кроме того, Хаббл смог различить там едва заметные скопления звезд.
Галактика Андромеды: столкнется ли она с Млечным Путем и как ее найти на небе
Стало ясно, что Большая туманность Андромеды на самом деле является отдельной галактикой — галактикой Андромеды. Так, одним махом, наша Вселенная стала намного больше.
Строение галактики
У галактик нет единого устройства — они все разные. Спиральная галактика вроде Млечного Пути устроена иначе, чем эллиптическая, а маленькая неправильная галактика может вообще не иметь четкой структуры. Но у большинства крупных галактик есть несколько общих основных частей: центральная область, диск, звездное гало и большое невидимое гало темной материи.
В центре галактики находится балдж — плотное ядерное утолщение, заполненное в основном старыми звездами. Там звезды расположены гораздо теснее, чем на окраинах, а их движение сложнее: они обращаются не по таким ровным орбитам, как звезды в диске.
В 1980-е годы астрономы начали подозревать, что в ядрах всех крупных галактик находятся черные дыры. Более того, одна из причин, по которой построили и запустили космический телескоп «Хаббл», состояла как раз в проверке этой идеи и изучении таких черных дыр.
Они были правы: в самом центре большинства массивных спиральных и эллиптических галактик находится действительно сверхмассивная черная дыра. Вероятнее всего эти черные дыры формируются примерно тогда же, когда и сами галактики. Когда вещество собирается в галактику, часть его падает к центру и питает находящуюся там черную дыру. Она растет вместе со своей галактикой-хозяином.
В сердце Млечного Пути тоже есть сверхмассивная черная дыра — Стрелец A*. Ее масса превышает 4 млн масс Солнца. Это много, но в Млечном Пути сотни миллиардов звезд, поэтому черная дыра составляет совсем небольшую долю общей массы галактики. В других галактиках черные дыры могут быть намного массивнее — до миллиардов солнечных масс.
Вокруг центральной области у спиральных галактик расположен диск. В нем находятся звезды, газ, пыль и спиральные рукава. Именно в рукавах часто рождаются новые звезды: там больше холодного газа, из которого могут формироваться звездные облака.
Кроме диска у галактик есть гало — более разреженная внешняя область. В нем находятся старые звезды, шаровые скопления и следы прошлых столкновений с другими галактиками.
Самая массивная часть галактики при этом остается невидимой. Это гало темной материи. Оно не излучает свет и не поглощает его, поэтому его нельзя сфотографировать. О его существовании судят по движению звезд и газа. Если учитывать только видимое вещество, внешние области галактик должны вращаться иначе. Наблюдения показывают, что на их движение влияет некая дополнительная масса, скрытая от наблюдения.
Галактики изучают почти во всех диапазонах электромагнитного спектра. Видимый свет показывает звезды и общую форму галактики. Инфракрасные телескопы помогают смотреть сквозь пыль и находить области звездообразования. Радиотелескопы видят холодный водород — главный материал для будущих звезд. Рентгеновские телескопы показывают горячий газ, остатки сверхновых и активность вокруг черных дыр. Еще один инструмент — спектроскопия. Астрономы раскладывают свет галактики на спектр и по нему определяют химический состав, температуру, скорость движения и расстояние. Если линии в спектре смещены, можно понять, приближается объект или удаляется. Так ученые измеряют вращение галактик, движение газа, скорость удаления далеких объектов и следы взаимодействий между галактиками.
Из чего состоят галактики
Галактики состоят из звезд, газа, пыли, звездных скоплений, туманностей, черных дыр и темной материи. Соотношение этих компонентов зависит от типа и возраста галактики. В спиральных галактиках обычно больше холодного газа и пыли, поэтому там чаще рождаются новые звезды. В эллиптических галактиках больше старых звезд, а звездообразование обычно слабее.
Звезды дают большую часть видимого света галактики. По их цвету, яркости и спектру астрономы определяют возраст, состав и историю звездообразования. Газ, в основном водород и гелий, служит материалом для новых звезд, а пыль поглощает свет и хорошо видна в инфракрасном диапазоне.
Сколько галактик во Вселенной
Чтобы ответить на этот вопрос, в 1990-е годы астрономы использовали космический телескоп «Хаббл», названный в честь вышеупомянутого Эдвина Хаббла. Они направили его на самый пустой участок неба, какой смогли найти: область, где почти не было звезд, туманностей или галактик. Затем телескоп просто смотрел туда, собирая свет от всего, что мог увидеть, пока накопленного света не стало достаточно, чтобы обнаружить даже самые тусклые объекты.
Так появилось «Глубокое поле Хаббла». Участок неба на этом снимке был крошечным: примерно как песчинка, если держать ее на ладони вытянутой руки. Но в нем обнаружились тысячи галактик. Почти каждое слабое пятно на изображении оказалось не звездой, а огромной системой из газа, пыли и миллиардов звезд.
«Глубокое поле» повторили в разных участках неба, и результат каждый раз был тем же: толпы галактик теснились друг к другу в каждом крошечном срезе небесной сферы. Можно посчитать галактики в таких глубоких полях, а затем экстраполировать результат на все небо. Так астрономы получают оценку общего числа галактик в наблюдаемой Вселенной.
После «Глубокого поля» и следующих глубоких обзоров 1990-х и 2000-х годов число галактик оценили в плюс-минус 100 млрд. Это уже огромное число: каждая из этих галактик может содержать миллионы, миллиарды или даже триллионы звезд. Но позднее оценки стали выше.
В 2016 году группа под руководством Кристофера Конселиса пересчитала эту оценку с учетом слабых и далеких галактик, слишком тусклых, чтобы современные телескопы могли уверенно отличить одну от другой. Получилось, что прежняя оценка может быть как минимум в 10 раз занижена, а в наблюдаемой Вселенной может быть около 2 трлн галактик.
При этом речь идет только о наблюдаемой Вселенной — той части космоса, свет от которой успел дойти до нас со времени Большого взрыва. Что находится за ее пределами и насколько велика вся Вселенная, мы не знаем. Поэтому полное число галактик может быть намного больше, а если Вселенная бесконечна — бесконечным.
Виды галактик
За прошедший век астрономы многое узнали о галактиках. Каждая из них представляет собой собрание как минимум сотен миллионов, а иногда и триллионов звезд. В большинстве галактик также есть газ и пыль, из которых могут рождаться новые звезды. Размеры таких систем варьируются от десятков тысяч до сотен тысяч световых лет, а формы бывают очень разными.
Именно по общей форме галактики чаще всего и классифицируют. Обычно выделяют несколько основных типов: эллиптические, спиральные, линзовидные и неправильные галактики. Иногда говорят еще и о пекулярных галактиках — системах с необычной или нарушенной формой. В отличие от неправильных галактик, они не всегда бесформенные: у них могут быть кольца, приливные хвосты, мосты из звезд и газа или другие следы сближения, столкновения или слияния с соседями.
Спиральные
Со спиральными галактиками мы хорошо знакомы: мы живем в одной из них. Такие галактики обычно имеют плоский вращающийся диск из звезд, газа и пыли, центральное утолщение из более старых звезд и протяженное гало. У многих спиральных галактик через центр проходит перемычка — вытянутая структура из звезд. У Млечного Пути она тоже есть.
Спиральные галактики тоже бывают разными. Если структура спирали хорошо выражена, у нее будут четкие, упорядоченные рукава, которые идут от самого центра почти до видимого края галактики. У других рукава неровные и фрагментированные — такие галактики называют флоккулентными, потому что их рукава напоминают клочки ваты. У одних спиралей рукава широко раскрыты, у других туго закручены.
Внешний вид спиральных галактик сильно зависит от того, под каким углом мы их видим. Если галактика обращена к нам почти лицом, будут хорошо заметны рукава, перемычка, пылевые полосы и области звездообразования. Если спиральная галактика наклонена к нам сильнее, часть этой структуры скрыта. А если мы видим ее с ребра, она предстает такой, какой действительно является: плоским диском. В таком положении особенно хорошо будет видна темная полоса пыли, проходящая вдоль средней плоскости.
Плоскими спиральные галактики стали по той же причине, по которой плоская Солнечная система — из-за вращения. Когда огромное облако газа сжималось под действием гравитации, оно постепенно раскручивалось и сплющивалось в диск. К тому моменту, когда в будущей галактике начали загораться первые звезды, ее плоский диск обычно уже был сформирован.
Эллиптические
Эллиптические галактики выглядят как округлые или вытянутые скопления звезд. Одни почти сферические, другие заметно сплюснуты и ближе по форме к растянутому овалу. У них обычно нет общей структуры, как у спиральных галактик: эллиптические галактики более «рыхлые» и объемные.
Размеры у них очень разные. Есть карликовые эллиптические галактики протяженностью несколько тысяч световых лет, а есть гигантские системы, которые намного больше Млечного Пути. В скоплениях галактик именно они часто оказываются самыми массивными.
Кроме формы, эллиптические галактики характеризуются нехваткой газа и пыли. Новые звезды там рождаются редко. Основную часть их света дают старые звезды: судя по всему, звездообразование в них давно закончилось. Все молодые массивные звезды уже взорвались, а менее массивные красноватые звезды продолжают светить. Поэтому эллиптические галактики часто выглядят более желтыми или красноватыми, чем спиральные.
Как именно формируются эллиптические галактики, пока не до конца ясно. Сейчас считается, что они могли возникнуть в результате столкновений и слияний других галактик.
Когда две галактики сближаются, их гравитация растягивает звезды и газ. Ближние части притягиваются сильнее, дальние слабее, поэтому из галактик вытягиваются длинные приливные хвосты — потоки вещества, вырванные из диска. Если сближение идет под углом, эти хвосты изгибаются, а сами галактики выглядят перекошенными: у них нарушаются рукава, появляются дуги и мосты из газа и звезд.
Звезды при этом почти никогда не сталкиваются: они слишком малы по сравнению с расстояниями между ними. А вот газовые облака действительно врезаются друг в друга, сжимаются и запускают быстрое рождение новых звезд.
Со временем галактики могут несколько раз пройти друг сквозь друга, замедлиться и слиться в одну систему. Так, по одной из основных версий, и формируются многие эллиптические галактики.
Но не каждое столкновение заканчивается появлением эллиптической галактики. Если большая спиральная галактика сближается с гораздо меньшей, она может разорвать ее приливными силами и постепенно поглотить. Так растут многие крупные галактики, включая Млечный Путь — прямо сейчас он поедает несколько меньших галактик.
Например, Terzan 5 — скопление звезд, которое может быть остатком ядра галактики, поглощенной Млечным Путем. А два огромных петлеобразных потока звезд вокруг нашей галактики — это части карликовых галактик Стрельца и Большого Пса, которые Млечный Путь разрывает на части.
Линзовидные
Линзовидные галактики занимают промежуточное место между спиральными и эллиптическими. У них есть центральное утолщение и плоский диск, как у спиральных галактик, но почти нет спиральных рукавов.
Обычно в них мало холодного газа: большую часть они уже израсходовали или потеряли, хотя бывают исключения. Поэтому новые звезды там рождаются редко, а свет в основном дают старые звезды. Этим линзовидные галактики больше напоминают эллиптические.
Часть таких галактик могла возникнуть из спиральных, которые со временем потеряли газ. Например, это может происходить в скоплениях галактик: при движении через межгалактическую среду газ выдувается из диска, и галактика постепенно перестает активно формировать новые звезды.
Неправильные
Неправильные галактики не имеют четкой формы. У них не видно ни аккуратного диска, ни спиральных рукавов, ни гладкой эллиптической структуры. Чаще всего это небольшие галактики с хаотичным распределением звезд, газа и пыли.
Причины могут быть разными. Одни неправильные галактики слишком малы, чтобы сформировать устойчивую крупную структуру. Другие потеряли прежнюю форму после сближения или столкновения с соседями. Гравитация более массивной галактики может растянуть их, нарушить движение газа и звезд, а иногда почти полностью разобрать меньшую систему на части.
При этом неправильные галактики часто богаты газом, поэтому в них могут активно рождаться новые звезды. Из-за этого на снимках они нередко выглядят яркими и пятнистыми: где-то светят молодые голубые звезды, где-то видны облака газа, нагретые звездообразованием.
Иногда взаимодействия приводят к еще более необычным формам. Если небольшая галактика проходит через диск крупной, гравитационное возмущение может разойтись по нему как волна и собрать звезды и газ в кольцо. В результате возникает кольцевая галактика, иногда рядом с ней виден и сам виновник столкновения. Известная галактика Колесо Телеги — хороший пример.
Самая большая галактика
Назвать одну галактику самой большой сложнее, чем кажется. Все зависит от того, что именно измерять: видимый диаметр звездного диска, протяженность слабого звездного гало, массу, число звезд или область, которую галактика занимает в радиодиапазоне.
Если сравнивать обычную видимую часть, то рекордсменами становятся гигантские эллиптические галактики в центрах скоплений. Они растут за счет слияний и поглощения меньших галактик, поэтому вокруг них часто образуются огромные разреженные оболочки из звезд.
Одной из самых известных таких систем считается IC 1101 в скоплении Abell 2029. Ее видимый звездный компонент оценивают в 400–550 тысяч световых лет, а слабое внешнее гало может быть еще шире. Диаметр звездного диска Млечного Пути, для сравнения, составляет около 100–120 тысяч световых лет.
Но размер можно считать и по-другому. У активных галактик из центральной области иногда вырываются мощные джеты — потоки частиц и энергии. Они уходят далеко за пределы звездной части галактики и в радиодиапазоне выглядят как большие лепестки по обе стороны от ядра.
Если учитывать эти структуры, рекордсменами становятся уже гигантские радиогалактики. Например, радиогалактика Alcyoneus растянулась примерно на пять мегапарсек, или 16 млн световых лет. Но здесь основная часть размера приходится не на звезды, а на радиоизлучающие области, созданные активным ядром.
Скопления галактик
Скопление галактик — это большая гравитационно связанная система, в которой десятки, сотни или тысячи галактик движутся вокруг общего центра масс. Внутри скопления есть не только сами галактики, но и горячий межгалактический газ, темная материя и следы постоянных взаимодействий: слияний, приливных хвостов, разрушенных карликовых галактик.
Млечный Путь тоже не одинок. Он входит в Местную группу — небольшое объединение из нескольких десятков галактик. Большинство из них маленькие и тусклые, поэтому новые спутники Млечного Пути продолжают находить до сих пор. В Местной группе доминируют две крупные галактики: Млечный Путь и Андромеда. Они находятся на разных концах группы и вместе задают ее общую структуру.
Но если смотреть дальше во Вселенную, видно, что галактики склонны собираться и в более крупные структуры. Многие входят в небольшие группы вроде нашей, но иногда объединяются в гигантские скопления галактик.
Обычное скопление галактик может простираться на несколько десятков миллионов световых лет и содержать сотни или тысячи галактик. Ближайший крупный пример — скопление Девы, расположенное примерно в 50 млн световых лет от нас, в направлении одноименного созвездия. В него входят более тысячи галактик, а общее число звезд может достигать квадриллиона.
Галактики в скоплениях удерживаются общей гравитацией. Они движутся внутри скопления по длинным орбитам, один оборот по которым может занимать миллиарды лет. В такой плотной среде галактики чаще сближаются, теряют газ, искажают форму друг друга и сливаются. Поэтому в скоплениях много эллиптических и линзовидных галактик: часть из них могла сформироваться после прошлых взаимодействий.
Обзоры неба показали, что галактики собираются не только в скопления: сами скопления тоже объединяются в еще более огромные структуры — сверхскопления. Обычно сверхскопление состоит из нескольких десятков скоплений и простирается на сотни миллионов световых лет.
Наша Местная группа находится рядом со скоплением Девы, и обе структуры входят в сверхскопление Девы. Недавние наблюдения показывают, что сверхскопление Девы на самом деле может быть только ответвлением еще более крупного сверхскопления Ланиакея, которое может включать 100 тысяч галактик и простираться на 500 млн световых лет. Точные границы этой структуры провести трудно — мы находимся внутри нее.
Великий аттрактор: что это, где находится, куда движется, чем опасен, фото
Сверхскопления тоже не распределены по Вселенной случайно. Они вытянуты вдоль длинных нитей, между которыми лежат войды — огромные пустынные области, бедные галактиками. Поэтому Вселенная на самых больших масштабах похожа на сеть: вещество собрано в узлах и нитях, а между ними остаются большие пустоты.
Частые вопросы
Как ученые изучают галактики?
Ученые изучают галактики с помощью наземных и космических телескопов. Они получают изображения в разных диапазонах, измеряют спектры и по ним определяют состав, расстояние, скорость движения и температуру газа и звезд. По этим данным астрономы восстанавливают форму галактики, ее вращение, распределение газа и пыли, работу центральной черной дыры и следы взаимодействий с соседями. [1]
Какая масса у галактик?
Масса галактик очень разная. Карликовые галактики могут быть в миллионы раз легче Млечного Пути, а гигантские эллиптические галактики — намного массивнее него. Сам Млечный Путь, если учитывать не только звезды и газ, но и темное гало, оценивают примерно в триллион масс Солнца. [2]
Сколько звезд в галактике?
Зависит от размера галактики. В маленьких карликовых галактиках могут быть миллионы звезд. В крупных спиральных галактиках вроде Млечного Пути — сотни миллиардов. [3] В самых больших эллиптических галактиках число звезд может доходить до триллионов. [4]
Числа обычно оценочные. Астрономы не пересчитывают звезды по одной, а определяют общую яркость галактики, ее массу и состав звездного населения.
Какая галактика ближайшая к Млечному Пути?
Если считать все галактики, то ближайшими будут карликовые спутники Млечного Пути. Они тусклые, поэтому некоторые из них открыли совсем недавно. [5]
Самая известная крупная соседняя галактика — Андромеда. Она находится примерно в 2,5 млн световых лет от нас и тоже входит в Местную группу. Через несколько миллиардов лет Млечный Путь и Андромеда начнут сливаться в одну крупную систему. [6]
Почему галактики сталкиваются, если Вселенная расширяется?
Расширение Вселенной заметно на очень больших расстояниях, между скоплениями и сверхскоплениями. Внутри небольших групп галактик сильнее работает гравитация. Поэтому Млечный Путь и Андромеда не удаляются друг от друга вместе с расширением пространства, а сближаются. [7]
Может ли галактика исчезнуть?
Галактика может потерять прежнюю форму, газ или большую часть звезд, но обычно она не исчезает одномоментно. Маленькие галактики часто разрушаются рядом с крупными: их растягивает гравитация, звезды уходят в потоки, а остатки постепенно смешиваются с большой галактикой. Так растут крупные системы, включая Млечный Путь. В его гало уже нашли звездные потоки — следы карликовых галактик, которые он разрушил и частично поглотил. [8]
Главное о галактиках
Галактика — это огромная система из звезд, газа, пыли, темной материи, туманностей, звездных скоплений и других объектов, удерживаемых общей гравитацией.
Млечный Путь — галактика, в которой находится Солнечная система. Это крупная спиральная галактика с перемычкой, диском, гало и сверхмассивной черной дырой Стрелец A* в центре.
Галактики бывают спиральными, эллиптическими, линзовидными, неправильными и пекулярными. Их различают по форме, строению, количеству газа и истории взаимодействий с соседями.
В центре большинства массивных галактик находится сверхмассивная черная дыра.
Размеры галактик сильно различаются. Карликовые галактики могут содержать миллионы звезд, а гигантские эллиптические галактики — триллионы.
Галактики редко живут изолированно. Они входят в группы, скопления и сверхскопления, а на самых больших масштабах образуют космическую паутину.
Читайте также:
Альфа Центавра: что это, в какой галактике, сколько лететь, как выглядит, фото
Планета Марс: спутники, расстояние до Земли, сколько лететь до Марса, фото
Планета Венера: как выглядит, какого цвета, температура, интересные факты
Экзопланета: что такое, открытие, типы, пригодные для жизни, ближайшая к Земле
Интересные факты о Юпитере — самой большой планете Солнечной системы
