Нашата галактика – млечния път идеята за островната вселена

“Юрий Гагарин”

Стара Загора
КУРС ПО ОБЩА АСТРОНОМИЯ ЗА АСТРОНОМИ-ЛЮБИТЕЛИ

Надя Кискинова

• 
  Древногръцка
  

Млечният път е нашата Галактика. Думата Галактика е от гръцки произход и означава мляко.

• 
  Българска
  

• 
  на бушмените
  

Разгадана е същността на Млечния път – множество слаби и близки една до друга звезди.

Шведският учен, философ и теолог от края на ХVІІ - началото на ХVІІ век, Сведенборг, занимайки се с изследване на магнитните явления, считал, че както се подреждат най-дребните частици около магнит, така и звездите трябва да имат някаква подредба в пространството и наличието на Млечния път подсказва това.

Макар доста мъглява, това е първата идея, която придава значение на Млечния път като реално съществуваща система за групиране на звездите.
Томас Райт и идеята за островната вселена

За първи път през първата половина на ХVІІІ век в космологичните възгледи на философа Томас Райт е изказана идеята че Вселената се състои от множество струпвания на звезди по повърхността на нещо като вселенски мехури. Макар, че погрешно е обяснявал наличието на Млечния път с проекцията, под който го вижда земния наблюдател, това е първата представа противопоставяща се на Вселена, равномерно запълнена със звезди. Също като Кеплер и Райт си представял, че звездите са разположени в тънък сферичен слой, а зрителният ни лъч е по допирателната към него и затова струпването на звезди се проектира като белезникава ивица.

• 
  Планета със спътниците й;
  
• 
  Слънцето и планетите от Слънчевата система;
  
• 
  Млечния път и подобните на него системи от звезди и т.н.
  

Въпреки че и в края на ХVІІІ век продължавала да господства представата за равномерно разпределените по цялата Вселена звезди, верен на наблюдателните резултати и интуицията си, Уилям Хершел се опитал да погледне как изглежда нашия звезден остров.

Хершел предприел броене на звездите в различни места на небето, прилагайки т.н. метод на черпака. За “черпак” служело зрителното поле на 46-см рефлектор на Хершел, което е около четвърт от пълния лунен диск или 15´4´´. Рефректорът достигал звезди до 14,5 зв. в Трудът бил огромен. Хершел не го пестял и в резултат на повече от 3 000 такива “загребвания” и преброявания на звездите до пределната звездна величина, установил наличието на галактична концентрация и достатъчно точно определил сплескаността й от порядъка на 1/5.

Галактиката според Хершел е с доста различна от сегашните представи форма и това се дължи на опростените допущания, които направил авторът й:

• 
  че няма междузвездно пъглъщане, макар, че именно Хершел изучава голям брой мъглявини;
  
• 
  че звездите са равномерно разпределени и
  
• 
  че всички звезди са с еднаква светимост.
  

Галактиката на Хершел имала размери 1 800 х 340 парсека.

Всъщност, много е трудно, когато някой наблюдава разположението на околните сгради единствено от собствения си прозорец да прецени големината, формата на селището и собственото си местоположение в него.

Размерите на Галактиката според Зеелигер са с порядък повече - 14 400 х 3 300 парсека.

Окончателно спорът за островната Велена бил решен от Едуин Хъбъл през 20-те години на ХХ век.

Малко преди това Шепли използвал метода на Цефеидите за определяне на разстоянието до кълбовидните звездни купове, оказали се най-далечните системи, обвързани динамично с Млечния път.

Хъбъл използва същия метод, наблюдавайки Цефеиди в звездната спираловидна система в съзвездието Андромеда, която Месие нанесъл под № 31 в своя каталог. Станало ясно, че разстоянието до този обект е няколкократно повече от разстоянието до кой да е от кълбовидните звездни купове. То възлиза на 2,5 милиона св.г.

Също с порядъци били по-големи разстоянията до другите звездни системи, оказали се други галактики.

И така, звездите не са равномерно разпределени в цялата Вселена, те са групирани в звездни системи – галактики. Броят им е стотици милиарди. Те са с разнообразни форми. Нашата Галактика – Млечният път спада към големите звездни острови, приличащи отстрани на лещи с протяжност от поне 100 000 св.г., а откъм галактичните полюси – на огромни спирали. За формата, както и за изучаване структурата, пространственото разпределение на съставящите го обекти, тяхното движение в пространството и въртенето на Галактиката като цяло е въведена система от галактични координати.
Галактични координати

В северното небе Млечният път минава през съзвездията Близнаци, Бик, Колар, Персей, Касиопея, Цефей и Лебед, където се раздвоява; после през Орел и минава в южното небе през Щит, Стрелец, Змиеносец, Скорпион, Жертвеник, Южен триъгълник, Центавър, Южен кръст и отново като една ивица продължава в Кораб, Корабни платна, Кормило, Голямо куче, Еднорог. После отново се връща в северното небе през Орион и Близнаци.

Големият крът от небесната сфера, минаващ през средата на Млечния път и центъра на сферата е галактичният екватор.

Галактичният и небесен екватори са под ъгъл един спрямо друг от 62,6º и се пресичат в съзвездията Орел и Еднорог.

Две също така противоположни и равноотдалечени от галактичния екватор точки от небесната сфера представляват галактичните полюси.

Северният галактичен полюс G1 е в съзвездието Косите на Вероника и е с екваториални координати:

Рекстанцензия α = 12 h 48, m

Деклинация δ = +27,4˚

Южният галактичен полюс G2 е в съзвездието Скулптор с екваториални координати:

Рекстанцензия α = 0 h 48,9 m

Деклинация δ = - 27,4˚

С тази координатна галактична система може еднозначно да се определи положението на всеки обект по небето:

Звездите са толкова далече от нас, че за дълги периоди от време – много по-големи от живота на цели поколения – видът на звездното небе е един и същ. Затова съзвездията отдавна са служели на хората за ориентация във времето и пространството.

Неизменността на небесата е илюзия, която явно за първи път била заподозряна от китайския астроном И Син едва през VІІІ век от н.е.

Десет века по-късно, през ХVІІІ век, Халей се заел да сравни използваните по това време звездни каталози с тези на Хипарх от ІІ век пр.н.е. и още по-стария – на Тимохарис и Аристид от ІІІ век пр.н.е. Освен очакваните промени в екваториалните координати, дължащи се на прецесията, Халей забелязал, че по-близките звезди като Сириус, Арктур, Алдебаран имат допълнителни отклонения. Халей предположил, че те се дължат на собственото движение на звездите в пространството, което било доказано малко по-късно през същия век от Майер и Мескалини.

Системна работа по измерване на собствените движения на звездите започват от края на ХVІІІ век, но и сега само на около няколко хиляди стотици звезди от близките звезди са известни пространствените премествания.

Преместването на звездите върху небесната сфера за 1 година се нарича нейно собствено движение μ.

Звездите се движат във всевъзможни посоки в пространството. Като земни наблюдатели можем да доловим и измерим лъчевата скорост по направление на зрителния лъч /чрез ефекта на Доплер/. Можем да измерим и тангенциалната скорост по посока, перпендикулярна на зрителния лъч, която ни дава представа за отместването на звездите върху небесната сфера – наистина само за по-близките звезди. Оттук можем да съдим за собственото движение на звездата.

Ние заедно със Слънцето също се движим сред звездните си съседи и това трябва да се отчита при определяне движенията на звездите и системите в Галактиката.

Прието е, точката от небесната сфера, към която е насочено движението на Слънцето да се нарича апекс, а противоположната й – антиапекс.

Определяйки собственото движение на звездите в близост до апекса и антиапекса, може да се определеи относителното движение на Слънцето спрямо тях. Това относително движение на Слънцето ще кара звездите към апекса видимо да се разбягват, а при антиапекса – да се доближават. Така изглежда, че се раздалечават дърветата, когато пътуваме по прав участък от пътя. Зад нас те се събират.

Рекстанцензия α = 17 h 40 m

Деклинация δ = 21˚

Слънчевият антиапекс е в съзвездието Заек.

Слънцето се движи спрямо близките звезди със скорост 15,5 км/сек по посока на съзвездието Херкулес.

Заедно с близките звезди Слънцето следва въртенето на Галактиката като цяло и се движи по посока на съзвездието Лебед със скорост от 250 км/сек.

Слънцето и Слънчевата система са започнали да се формират преди 4,5 млрд. години. Може да се пресметне, че оттогава досега за нашата система са изминали 21 галактични години. Сега тече 22-рата галактична година.

Траекторията на Слънцето и звездите не е точно окръжност – Слънцето никога не минава през една и съща точка спрямо центъра на Галактиката. Галактичната орбита е по-скоро спираловидна. Освен това Слънцето е ту над галактичната равнина с максимално отклонение до 25 пс от нея и това продължава 25 милиона години и толкова под галактичната равнина. В момента то е на само 40 св. г над галактичната равнина и се приближава към нея.

За първи път Ковалски през 1859 г. дава математическа разработка на идеята за въртенето на Галактиката като цяло, а първият опит да се определи това въртене чрез анализ на наблюденията на лъчевата скорост на звездите прави Струве през 1887 г. Той приема, че Галактиката се върти като твърдо тяло и получените от него стойности не се различават много от сегашните.

През 1926-7 г. Линдбланд, Швеция и Оорт , Холандия разработват теорията на галактичното въртене, поставяйки си за цел да обяснят явлението асиметрия в звездното движение. Линдбланд изказва предположение, че различните по физичните си свойства обекти са и различни в кинематично отношение и затова учавстват по свой начин в общото въртене на Галактиката.

Наистина, въртенето на Галактиката като цяло зависи от разпределението на масите в обема й:

• 
  ако масите са равномерно разпределени в целия й обем, въртенето й трябва да като на твърдо тяло – с еднаква ъглова скорост ω и линейна скорост υ, зависеща от отдалечеността на обекта от центъра на галактиката υ = r . ω.
  
• 
  ако по-голямата част от масата на Галактиката е съсредоточена в центъра, звездите извън него трябва да се движат по законите на Кеплер ъгловата скорост да намалява с отдалечаване от центъра
  

Установено е също така, че спиралните ръкави се въртят като перките на витло – като твърдо тяло, а обектите между спиралите – по законите на Кеплер.

Слънцето с нашата планетна система се намира в областта близо до един от спиралните ръкави, но вероятно от времето на съществуването си не е пресичало спирален ръкав именно поради това, че е на подходящо разстояние от центъра на Галактиката. Това означава, че системата ни е устойчива вече 4,6 млрд години – време достатъчно, за да се развие животът до висшите си форми. Ъгловата и линейна скорости на разстояние 10 Кпс от галактичния център е 24 км/с.Кпс.

След бягството си от фашизираща се Германия през 30-те години на ХХ век, немският астроном Валтер Бааде работи в САШ в обсерваторията Маунт Уилсън. Тъй като при бягството си той остава без документи, не успява да получи американско поданство. Когато повечето от колегите му в обсерваторията биват мобилизирани по време на войната, Бааде остава почти сам. Тогава голяма част от наблюдателното време на 2,5 метровия телескоп той можел да използва за собствени изследвания. Нощното небе в пустинята не било смущавано дори от светлините на милионния Лос Анжелис поради предприетите мерки за противовъздушни нападения, изискващи затъмнение на града. Условията за астрономически наблюдения в рядко облачното небе на пустинята били идеални.

Бааде изследвал горещите сини гиганти в периферните части на близките галактики и най-вече в галактиката в Авдромеда М 31. Той предполагал, че в центъра на галактиките би трябвало да има също така гигантски, но червени звезди. Успял да получи небивали дотогава добри изображения на галактичните централни области, на които се различават отделни звезди. Там наистина имало червени гиганти от крайните стадии на звездната еволюция, както и в повечето кълбовидни купове.

През 40-50-те години на миналия век Бааде вече разполагал с достатъчно наблюдателен материал в потвърджение на своето предположение и разработил схема на звездните населения в галактиките.

Звездните населения според Бааде били два типа:

• 
  звездно население от І тип – това са младите звезди с наличие на около 1% тежки елементи в състава. Тук е Слънцето, както и звездите от разсеяните звездни купове, от спиралните ръкави, от областите на звездообразуване. Тук влизали и газово-праховите мъглявини от междузвездното пространство в спиралните ръкави.
  
• 
  звездно население от ІІ тип са старите червени гиганти и свръхгиганти от централните части на галактиките и от кълбовидните звездни купове, бедни на тежки елементи.
  

• 
  плоска подсистема, съответствата на І тип звездно население. Концентрацията на обектите към тази подсистема увеличават концентрацията си към галактичната равнина и имат малки пространствени скорости спрямо Слънцето.
  
• 
  сферичната подсистема съответства на ІІ тип звездно население според Бааде.
  

Огромното разнообразие от обекти в галактиките само най-общо може да се вмести в двете компоненти, независимо дали са наречени звездни населения или подсистеми. Тъй като впоследствие терминологията на подсистеми се доразвива, сега галактичните обекти се характеризират главно според пространствените си движения, които явно са свързани с еволюционния им стадий.

Сега галактичните обекти е прието да се характеризират с 5 подсистеми:

• 
  І подсистема – това са обектите, разполагащи се на средно разстояние от 0,12 Кпс от галактичната равнина и са най-младите обекти на възраст под 10 милиона години – това е населението на спиралните ръкави.
  
• 
  ІІ подсистема – обекти на разстояние средно от 0,16 Кпс от галактичната равнина и възраст около 1 млрд години. Тук са класическите цефеиди, звезди с изявени линии на металите в спектъра си, обекти близо до галактичната равнина, но не влизащи в състава на спиралните ръкави.
  
• 
  ІІІ подсистема – обекти на средно разстояние 0,4 Кпс от галактичната равнина и възраст повече от 1 млрд години – тук са новите звезди, планетарните мъглявини, звезди със слаби линии на метали в спектъра си – това е диска на галактиките;
  
• 
  ІV подсистема – обекти на разстояние 0,7 Кпс от галактичната равнина и възраст няколко милиарда години – обекти с по-големи пространствени скорости от Слънцето;
  
• 
  V подсистема – обекти на разстояние повече от 1,3 Кпс от галактичната равнина и възраст, сравнима с възрастта на самата галактика – червените гиганти от кълбовидни звездни купове и централните области състоящи се изцяло от водород и хелий.
  

Както сочат и последните изследвания, галактиките са възникнали почти веднага след Големия взрив или поне много бързо след него. Счита се, че първите сгъстявания вселенско вещество е дало началото на малки звездни острови, които следвайки общото разширение на пространство-времето са се групирали. Сегашните големи галактики като нашата са се образували от нееднократното сливане на малки галактики и поглъщане на малки галактики от големи. Има обаче изключения – открити са доста големи галактики само на няколко стотин милиона години време-пространство от Големия взрив.

Ето работния сценарий на формиране на галактики като Млечния път:

Първо се е формирала сферичната или V подсистема от стари кълбовидни звездни купове и гигантски звезди от галактичния център. После и останалите отвън навътре подсистеми, като звездообразуване протича и сега в спиралните ръкави.

Както сочат наблюденията на другите галактики процесът на звездообразуване не протича с еднакъв темп. Съдейки по наличието на звезди с различно съдържание на тежки елементи в състава им, руснаците Марсаков и Сухов през 1976-8 г. говорят за 3 групи звезди по този признак, което би могло да означава, че в Галактиката е имало поне 3 етапа на бурно звездообразуване.

Съдейки по възрастта на най-старите звезди, ясно е Галактиката е на преклонната възраст от поне 10 млрд години.

За изясняване еволюцията на Галактиката като цяло има смисъл подробното изучаване на нейната структура.

Поляризацията на светлината става източник за изучаване геометрията на галактичното магнитно поле. Така било установено, че то е успоредно на диска на Млечния път и е по посока на спиралните ръкави.

Не е ясен произходът на магнитното поле на Галактиката, но се предполага, че то се генерира от мощните процеси, ставащи в галактичното ядро.
Централна област

Звездната плътност в околностите на Слънцето е средно 1 звезда в 10 куб. парсека или 0,1 звезда на куб. парсек, а към центъра на Галактиката достига до 3 звезди в куб.парсек.

Ъгловите му размери са 28º х 18º от небето или 4,8 х 3,1 Кпс в пространството.

Ядърце или керн

Съвсем скоро – в края на ноември 2004 г. - бе открита още една черна дупка с междинна маса от порядъка на 1300 слънчеви в самия център на Галактиката. Ако този обект наистина се окаже черна дупка от по-нататъшните изследвания, то междинните черни дупки ще се окажат наистина строителните тухлични, от които при сливане им се получават свръхмасивните черни дупки с милиони маси на Слънцето.

Някъде към 70-те години на ХХ век се считало, че всичко що се касае до структурата на Галактиката вече е изяснено. Резултатите от изследванията на пространствените движения на звездите и Слънцето; данните за другите галактики водели до извода, че видимият диск на Галактиката се простира до 15 Кпс от центъра й или диаметърът на диска възлиза на 30 Кпс.

Изследването на галактиките през 80-те години създало доказало, че наистина няма галактика, чиято маса възлиза единствено на светещите звезди и видимите обекти в нея. Именно тази невидима маса вещество на галактиките била наречена корона или външно хало.

Масата на галактиките сега по-точно се определя при взаимодействащите галактики, където гравитацията си казва думата, отколкото по светенето им.

Излиза, че тъмното вещество е съществена част и ако се вземе предвид гравитационното му влияние, масата на галактиките значително нараства в сравнение с тази, определена по светенето на звездите им. Нарастват и размерите им – поне тройно.

Естествено възниква въпросът какво представлява това тъмно вещество и има ред предположения – изгаснали звезди и планетоподобни тела, черни дупки или потоци неутрино, неутрино с маса, различна от нулевата...

Или както казва Ходж в книгата си “Галактики” от 1992 г.:

“...излиза, че по-голямата част от Вселената е ненаблюдаема. Това, което виждаме е само част от айсберта – върха му. Грандиозните спирални галактики са само скелети на огромни тайнствени призраци.”

През 1973 г. Острайкер и Пиблс доказват, че гравитацията не може да уравновеси въртенето на неустойчиви образувания от диска.

През 1975 г. Хол доказва, че галактиките с диск са устойчиви образувания, ако поне половината от масата е съсредоточена в невъртяща се сферична област около ядрото, наречена вътрешно хало с радиус поне 10-15 Кпс. Такава маса вещество не отговаря на наблюдаемата и наличието й е още по-спорно отколкото наличието на външно хало.


Произход на спиралните ръкави

Спираловидните галактики като нашата се въртят по-бързо от другите галактики и аналогията със спираловидно изтичаща вода през отвор се натрапва. Сега тази аналогия като че ли е още по-пълна. В ядрата на повечето от изучените спирални галактики са открити масивни черни дупки.

Откритието, че живеем в такава галактика дошло през 60-те години на миналия век, когато радиотелескопи били насочени към небето. Изследвайки радиоизлъчването на неутралния водород на дължина на вълната 21 см по цялото небе било разкрито наличието на места на по-голяма негова концентрация – части от спирални структури.


Излъчване на дължината на неутралния водород 21 см в нашата Галактика – първото наблюдателно потвърждение за наличие на спирални ръкави



Разкриване истината за спиралната структура на Млечния път
Произходът, причината за съществуване на спирални ръкави дълго не заставал като проблем за изучаване, докато не било изчислено, че спиралите всъщност би трябвало да са много по-неустойчиви образувания – далеч по-малко същестуващи в сравнение с възрастта на самата галактика.

Компютърните модели показват, че ако спиралите са възникнали от самото формиране на галактиките с времето те трябва да се завиват все повече, докато не се затворят в концентрични окръжности. Една галактика на възраст 10 млрд години би трябвало да е направила стотина оборота около себе си досега, докато спиралните ръкави са завити най-много до 1-2 оборота. Защо галактиките имат спирална структура, неотговаряща на характера на общото й въртене?

Ученикът на Лин, Робъртс доказва, че пред плътностната вълна се разпространява ударна вълна, която сгъстява междузвездното вещество 5-10 пъти повече от това между ръкавите, което предизвиква гравитационното свиване на инертните маси вещество и начало на звездообразуване. Пламналите звезди осветяват пространството около себе си и подобно на купчинките недоразбита сметана правят спиралната структура добре различима.

Този механизъм обяснява наличието на 2 до 4 спирални ръкава, както е при повечето спирални галактики.

Възможен е и друг механизъм, описан от т.н.

• 
  Стохастична теория или Теория на случайните процеси:
  

През 1965 г. е направена компютърна анимация, проиграваща процесите в галактиката М 31 в Андромеда. Илюстрацията започва с възникнало смущение в произволен участък, даващ начало на звездообразуване, който поради диференциалното въртене се изтегля в дълъг тесен сегмент със спирална форма.

Постепенно процесът затихва поради изчерпване на междузвездното вещество и спиране на звездообразуването. Спиралата потъмнява, а възникналите звезди с по-малка маса следват спокойно хода на своето развитие. Междувременно на друго случайно място възниква смущение, което се разпространява като спирален ръкав или част от него, докато протичат бурните процеси на звездообразуването.

За произходът на смущенията и тук се предполагат същите вътрешни и външни фактори, както и при плътностните вълни.