Самые дальние космические объекты, наблюдаемые без телескопа

За пределами нашей галактики

Изучая Вселенную, астрономы шаг за шагом проникали все дальше в ее таинственные глубины. Поняв и уточнив строение Солнечной системы, ученые обратились к Млечному Пути — гигантской «корпорации» звезд и межзвездного вещества, существующей по особым, далеко еще не полностью известным «правилам».

А следующий этап — открытие и исследование других «звездных островов», похожих и непохожих на наш собственный, оказался невероятно сложным. Речь шла о расстояниях в сотни тысяч и миллионы световых лет!

Еще в первых десятилетиях 20 в. далеко не все астрономы верили в существование звезд и звездных систем за пределами нашей Галактики.

И лишь с появлением мощных телескопов нового поколения удалось измерить расстояния до отдаленных туманностей и доказать, что они находятся в тысячи раз дальше, чем самые отдаленные «берега» нашего «звездного острова».

Так родилась новая отрасль науки — внегалактическая астрономия. И задачи она поставила перед собой действительно грандиозные: изучение наиболее общих свойств наблюдаемой части Вселенной — Метагалактики — и построение единой теории ее происхождения и развития.

Существующих теорий и известных физических законов для этого оказалось недостаточно, потому что с их помощью невозможно описать состояния вещества и то, что с ним происходит, при предельных значениях плотности, температуры и давления.

Для того чтобы только приблизиться к созданию такой теории, понадобились данные наблюдений за областями Вселенной, которые лежат в миллиардах световых лет от нас.

А чтобы получить такие данные, пришлось создать сверхточные приборы и нетрадиционные методы исследований.

Поэтому главные достижения внегалактической астрономии связаны с наступлением эры компьютеров и новыми открытиями в области квантовой физики.

Планета, максимально похожая на Землю

Еще бы год длился как Земной, цены бы ей не было

Среди всех известных на данный момент экзопланет одной из наиболее похожей на нашу планету является Kepler 438b. Ее нашли всего 4 года назад, и у нее даже есть свое собственное миниатюрное Солнце — красный карлик (который значительно меньше и холоднее нашего Солнца). Расстояние до нее будь здоров — более 470 световых лет! Почему ученые возлагают на нее такие надежды? Планета расположена в таком месте, где не слишком жарко и в то же время не слишком холодно, чтобы поддерживать наличие воды в жидкой форме на поверхности планеты.

Масса этой планеты не до конца изучена, ученые считают, что она больше земной всего в 1,4 раза, а температура на поверхности может варьироваться от 0 до 60 градусов Цельсия. Звучит прямо здорово, да? Но не торопитесь собирать вещи: астрономы провели наблюдение и выяснили, что на «мини-Солнце» планеты Kepler 438b довольно регулярно происходят очень мощные выбросы радиационного излучения, которые в конечном итоге могут делать эту планету совершенно необитаемой.

Строение галактики Млечный Путь

Галактический диск не однороден по своему составу. Как и другие спиральные гравитационные системы, Млечный Путь имеет три различаемых области:

• ядро, сформированное плотным звездным скоплением, насчитывающим миллиард звезд разного возраста;
• сам галактический диск, сформированный из скоплений звезд, звездного газа и пыли;
• корона, сферическое гало – область в которой располагаются шаровые скопления, карликовые галактики, отдельные группы звезд, космическая пыль и газ.

Центр галактики

Вблизи плоскости галактического диска располагаются молодые звезды, собранные в скопления. Плотность звездных скоплений в центре диска выше. Вблизи центра плотность составляет 10000 звезд на один кубический парсек. В районе, где находится Солнечная система, плотность звезд составляет уже 1-2 светила на 16 кубических парсеков. Как правило, возраст этих небесных тел не более нескольких миллиардов лет.

Строение галактики Млечный Путь

Если на схеме строение галактики достаточно понятно и прозрачное, то в реальности рассмотреть центральные области галактического диска практически невозможно. Газопылевые облака и скопления звездного газа скрывают от нашего взора свет из центра Млечного пути, в котором живет настоящий космический монстр – сверхмассивная черная дыра. Масса этого сверхгиганта составляет приблизительно 4,3 миллиона M☉. Рядом со сверхгигантом располагается черная дыра меньших размеров. Дополняют эту мрачную компанию сотни карликовых черных дыр. Черные дыры Млечного пути являются не только пожирателями звездной материи, но и выполняют функцию родильного дома, выбрасывая в пространство огромные сгустки протонов, нейтронов и электронов. Именно из них образуется атомарный водород – главное топливо звездного племени.

Перемычка

Геометрически структура галактики выглядит достаточно просто. Каждый спиральный рукав, а их у Млечного пути целых четыре, берет свое начало из газового кольца. Рукава расходятся под углом 20⁰. На внешних границах галактического диска основным элементом является атомарный водород, который распространяется от центра галактики к периферии. Толщина водородного слоя на окраинах Млечного пути значительно шире, чем в центре, при этом плотность его крайне низкая. Разряжению водородного слоя способствует воздействие карликовых галактик, которые неотлучно следуют с нашей галактикой на протяжении десятков миллиардов лет.

7.1.2. Строение Галактики window.top.document.title = «7.1.2. Строение Галактики»;

Распределение звезд в Галактике имеет две ярко выраженные особенности: во-первых, очень высокая концентрация звезд в галактической плоскости, и во-вторых, большая концентрация в центре Галактики. Так, если в окрестностях Солнца, в диске, одна звезда приходится на 16 кубических парсеков, то в центре Галактики в одном кубическом парсеке находится 10 000 звезд. В плоскости Галактики помимо повышенной концентрации звезд наблюдается также повышенная концентрация пыли и газа.

Рисунок 7.1.2.1.Спиральная галактика NGC1365: примерно так выглядит наша Галактика сверху

Рисунок 7.1.2.2.Спиральная галактика NGC891: примерно так выглядит наша Галактика сбоку

Солнце расположено очень далеко от ядра Галактики – на расстоянии 8 кпк (около 26 000 световых лет).

Рисунок 7.1.2.3.В направлении центра Галактики

Центр Галактики находится в созвездии Стрельца в направлении на α = 17h 46,1m, δ = –28°51′.

Галактика состоит из диска, гало и короны. Центральная, наиболее компактная область Галактики называется ядром. В ядре высокая концентрация звезд: в каждом кубическом парсеке находятся тысячи звезд. Если бы мы жили на планете около звезды, находящейся вблизи ядра Галактики, то на небе были бы видны десятки звезд, по яркости сопоставимых с Луной. В центре Галактики предполагается существование массивной черной дыры. В кольцевой области галактического диска (3–7 кпк) сосредоточено почти все молекулярное вещество межзвездной среды; там находится наибольшее количество пульсаров, остатков сверхновых и источников инфракрасного излучения. Видимое излучение центральных областей Галактики полностью скрыто от нас мощными слоями поглощающей материи.

Рисунок 7.1.2.4.Вид на Млечный Путь с воображаемой планеты, обращающейся вокруг звезды галактического гало над звездным диском

Галактика содержит две основных подсистемы (два компонента), вложенные одна в другую и гравитационно-связанные друг с другом. Первая называется сферической – гало, ее звезды концентрируются к центру галактики, а плотность вещества, высокая в центре галактики, довольно быстро падает с удалением от него. Центральная, наиболее плотная часть гало в пределах нескольких тысяч световых лет от центра Галактики называется балдж. Вторая подсистема – это массивный звездный диск. Он представляет собой как бы две сложенные краями тарелки. В диске концентрация звезд значительно больше, чем в гало. Звезды внутри диска движутся по круговым траекториям вокруг центра Галактики. В звездном диске между спиральными рукавами расположено Солнце.

Звезды галактического диска были названы населением I типа, звезды гало – населением II типа. К диску, плоской составляющей Галактики, относятся звезды ранних спектральных классов О и В, звезды рассеянных скоплений, темные пылевые туманности. Гало, наоборот, составляют объекты, возникшие на ранних стадиях эволюции Галактики: звезды шаровых скоплений, звезды типа RR Лиры. Звезды плоской составляющей по сравнению со звездами сферической составляющей отличаются большим содержанием тяжелых элементов. Возраст населения сферической составляющей превышает 12 миллиардов лет. Его обычно принимают за возраст самой Галактики.

По сравнению с гало диск вращается заметно быстрее. Скорость вращения диска не одинакова на различных расстояниях от центра. Масса диска оценивается в 150 миллиардов M. В диске находятся спиральные ветви (рукава). Молодые звезды и очаги звездообразования расположены, в основном, вдоль рукавов.

Диск и окружающее его гало погружены в корону. В настоящее время считают, что размеры короны Галактики в 10 раз больше, чем размеры диска.

Модель 7.1. Вращение Галактики

Неожиданная сигнатура

Зитрин, Эллис и их коллеги были удивлены тем, что они увидели в спектрах EGS8p7. Большое скопление горячего водорода, подогреваемое ультрафиолетовым излучением новых звезд, создает спектральную сигнатуру, получившую название линия Лайман-альфа. Как правило, когда ученые отмечают линию Лайман-альфа, то она может говорить о том, что в этом регионе космоса происходит активное звездообразование или формирование новых галактик. В случае же с EGS8p7, чей возраст составляет 13,2 миллиарда лет, ее линия Лайман-альфа должна была быть давно поглощена облаками газа водорода.

Такое несоответствие в спектральных показателях может дать ученым новую информацию о ранней истории нашей Вселенной. О своих идеях ученые поделились на страницах журнала Astrophysical Journal Letters.

Крайности

Планета — кусок льда

Помните Gliese 581? Это «адище», которое мы посетили ранее? У нее есть младший брат — Gliese 436 b, которая представляет собой жгучий куб льда. Температура там тоже не для отпуска — 439 градусов Цельсия. Почему же она не тает? На планете огромное количество воды, просто невероятное. Гравитация стягивает все это в направлении ядра, настолько плотно сжимая молекулы воды, что они не могут испариться. Это вам не чайник до 100 градусов вскипятить.

Да это просто кусок льда!

Испаряются только внешние слои воды, поэтому планета постоянно окутана паром, но все остальные слои остаются в твердом состоянии. Условия там по-настоящему адские, кислорода никакого и в помине нет — такая влажность вместе с высокой температурой убивают все живое, что в теории могло бы там возникнуть. Но давайте лучше колонизируем планеты потеплее?

Местная Группа — часть космической паутины

Ближайшее скопление галактик к Местной Группе — это скопление Девы, которое находится от нас на расстоянии около 55 миллионов световых лет. В скоплении Девы насчитывается более 2,000 «островных вселенных». Сравните это с Местной Группой, в которую, согласно подтвержденным данным, входит около 50 галактик, а по неподтвержденным — еще 30. При этом, размер большинства галактик Местной Группы не сопоставим с размером Млечного Пути и Галактики Андромеды. Однако и это еще не все — Местная Группа — лишь малая, периферийная часть сверхскопления галактик, которое в общей сложности насчитывает больше тысячи самых разных галактик. Вместе эти сверхскопления образуют гигантскую но далеко не единственную субструктуру Вселенной. Чувствуете себя маленькими?

Перед вами часть галактик Местной Группы

Как пишет издание Astronomy, большинство галактик, составляющих космическую паутину — сеть сверхскоплений галактик — существуют в небольших группах, которые разбросаны по всему космосу. Исследователи полагают, что галактики Местной Группы возникли более 13 миллиардов лет назад, когда первые скопления вещества разрослись в протогалактики. Спустя миллиард лет после Большого Взрыва, когда сформировались звезды, Местная Группа растянулась на 600 000 световых лет. Дело в том, что будучи близко друг к другу, галактики в то время объединялись чаще. Не исключено, что подобные слияния могли создать Млечный Путь из 100 или более протогалактик.

Спутники Млечного Пути — Большое и Малое Магеллановы Облака — находятся от нас на расстоянии 163 тысяч световых лет. Это карликовые галактики, которые Млечный Путь поглотит в будущем. В этом нет ничего удивительного, так как наша галактика прямо сейчас уничтожает и пожирает сфероидальную карликовую галактику Стрельца. Кроме того, примерно через 4 миллиарда лет Галактика Андромеды и Млечный Путь столкнутся в результате образовав новую, большую галактику, которая в конечном итоге станет гигантской эллиптической галактикой.

Большое и Малое Магеллановы Облака

Учитывая тот факт, что наблюдения астрономов ограничены наблюдаемой Вселенной, изучение галактик Местной Группы и ближайшего к ней скопления Девы позволяет ученым увидеть микромир — своего рода лабораторию или мини Вселенную. Вещество, которое астрономы называют темной материей, составляет 26% от всего вещества во Вселенной, но пока никто не знает, что она из себя представляет. Используя технику, называемую гравитационным линзированием, астрономы изучили ореол Млечного Пути и исключили нескольких предполагаемых кандидатов. Точно так же ученые используют ближайшие галактики, чтобы изучить, где образуются черные дыры. Так или иначе, эволюция галактик и процесс звездообразования, позволяет ученым узнать больше не только о нашей собственной галактике, но и обо всей Вселенной.

Планета, на которой год равен Земному

Планета Kepler 452b была обнаружена космическим телескопом «Кеплер» в 2015 году, когда она проходила напротив своей родной звезды — тоже своего рода «Солнца», как вы поняли. Правда, это «Солнце» находится примерно в 1400 световых годах от нас и несколько холоднее. Радиус планеты совсем немного превышает радиус Земли, зато год на ней идет 385 дней! Для экзопланеты это максимально приближенный показатель к привычному жителям нашей планеты.

И Солнце есть, и год нормальный, и даже температура!

Как и большинство других планет, обнаруженных телескопом «Кеплер» (отсюда им и даются названия), масса этой планеты остается неизвестной, однако ученые предполагают, что она примерно в 5 раз больше земной.

Правда, все будет зависеть от состава атмосферы, которой планета обладает. Он еще не изучен астрономами.

Что такое галактическая стена?

Согласно статье, опубликованной в The New York Times, международная группа астрономов во главе с Даниэлем Помаредом из университета Париж-Сакле и Р. Брентом Талли из Гавайского университета опубликовала результаты нового исследования в журнале Astrophysical Journal. В работе присутствуют карты и диаграммы особенностей нашей локальной Вселенной, а также видео-экскурсия по стене Южного полюса.

Эта работа – последняя часть продолжающейся миссии, главной целью которой является обнаружение нашего места во Вселенной. В конце-концов мы должны знать своих галактических соседей и бесконечных пустот в лицо, ведь именно благодаря им можно понять, куда мы движемся. Открытие особенно примечательно, так как обнаруженное гигантское звездное скопление все это время оставалось незамеченным. Но что именно удалось узнать ученым?

Как оказалось, новая стена объединяет множество других космографических особенностей: расположение галактик или их отсутствие, о чем исследователи узнали за последние несколько десятилетий. Исследование основывается на измерениях расстояний от 18 000 галактик до 600 миллионов световых лет. Для сравнения – самые отдаленные объекты, которые мы можем увидеть — это квазары и галактики, образовавшиеся вскоре после Большого взрыва, — находятся от нас на расстоянии около 13 миллиардов световых лет.

Компьютерная модель стены Южного полюса, с более плотными областями материи, отображенными красным цветом. Вся показанная область занимает около 1,3 миллиарда световых лет; галактика Млечный Путь, едва достигающая 100 000 световых лет в поперечнике, расположена в центре изображения

В расширяющейся Вселенной далекие галактики удаляются от нас, прямо как точки на надувающемся воздушном шаре; чем дальше они находятся, тем быстрее они удаляются от нас, согласно соотношению, называемому законом Хаббла. Это движение от Земли заставляет свет от галактик смещаться к более длинным, более красным длинам волн и более низким частотам, словно удаляющиеся сирены скорой помощи. Измеряя расстояния между галактиками исследователи смогли отличить движение, вызванное космическим расширением, от движения, вызванного гравитационными неравномерностями.

В результате астрономы обнаружили, что галактики между Землей и стеной Южного полюса удаляются от нас немного быстрее, чем должны были. А галактики за стеной движутся медленнее, чем следовало бы, сдерживаемые гравитационным сопротивлением стены. И все же, в космологическом отношении, стена Южного полюса находится поблизости. Можно удивиться тому, как такое большое и не столь отдаленное сооружение оставалось незамеченным все эти годы, но в расширяющейся Вселенной всегда есть на что посмотреть.

Как увидеть другую галактику?

Человеческая интуиция подсказывает, что далекие астрономические объекты должны казаться на небе меньше, чем близлежащие объекты. Но интуиция, как правило, не лучший помощник при работе с незнакомыми масштабами и структурами далекой Вселенной. В нашей Солнечной системе только Солнце, Луна и случайные кометы имеют ярко выраженный размер, который можно разглядеть невооруженным глазом. Планеты же — это просто точки.

Эта закономерность продолжается по мере удаления от Земли. Ближайшее крупное скопление галактик — скопление Девы, содержащее около 1 500 галактик; оно настолько велико, что заполняет все созвездие, в честь которого названо. Скопление Девы является частью более крупного, Сверхскопления Девы, которое включает в себя наш Млечный Путь. Сверхскопление Девы, в свою очередь, является подмножеством еще большего сверхскопления под названием Ланиакея, одной из крупнейших структур в известной Вселенной.

Возьмем, к примеру, недавнюю комету NEOWISE, которую можно было наблюдать с Земли. Твердая часть кометы крошечная, не более 5 километров в ширину, как же мы ее увидели? Дело в том, что газ и пыль, которые «выкипели» из кометы и образовали ее общий след в окружающей среде — распространились в миллион раз дальше.

Пылевые и ионные хвосты кометы NEOWISE были легко видны с Земли, хотя сама комета была настолько маленькой, что даже космический телескоп Хаббл не смог ее увидеть

Площадь созвездия занимает 3,16% всей площади небосвода

Площадь созвездия занимает 3,16% всей площади небосвода. По сути это длинная извилистая полоса из довольно тусклых звезд, и впрямь напоминающая змею (в отличие от прочих созвездий, в названиях которых угадать «содержимое» могут лишь люди с фантазией древних греков).

Самая большая черная дыра

Черная дыра — на самом деле не дыра, а нечто (область пространства-времени), что обладает такой большой массой (а значит, и огромной гравитацией), что покинуть его не может даже свет. Из-за этого черные дыры ничего не излучают, их не видно, обнаруживаются они лишь по косвенным уликам — гравитационным изменениям вблизи этих объектов, а также предсказываются расчетами общей теории относительности Эйнштейна. Самые массивные черные дыры находятся в центрах галактик. Обладая гигантской массой и плотностью, они «засасывают» в себя все ближайшие объекты: звезды, планеты и газопылевые облака.

Самой массивной черной дырой, известной на сегодняшний день, считается дыра в центре гигантской эллиптической галактики NGC4889. Это самая яркая галактика из всех, что находится в созвездии Волосы Вероники. «Вес» черной дыры в ее центре равен примерно 21 млрд солнц. А вот масса черной дыры в центре нашей Галактики на три порядка меньше — «всего» в 4,3 млн раз больше, чем масса Солнца.

Самая большая галактика

Она носит скромное имя — IC 1101 и нескромный размер — 6 млн световых лет в поперечнике. Для сравнения: наш родной Млечный Путь меньше в 60 раз (его диаметр лишь 100 000 световых лет) и в 2000 раз легче. Если бы этот гигант находился на месте нашей Галактики, то включал бы в себя не только Млечный Путь, но и самую близкую к нам (из крупных галактик) Туманность Андромеды, соседние — Большое и Малое Магеллановы облака и галактику Треугольника.

Классификация галактик Эдвина Хаббла

Классификация галактик разработанная астрономом Эдвином Хабблом в ХХ годах прошлого века.

Первым шагом к пониманию многих различных явлений часто может быть их классификация. С этой целью выдающийся астроном Эдвин Хаббл в 1920-х годах изучил большую выборку изображений галактик и классифицировал их в соответствии с их особенностями. В своей работе Хаббл предложил классифицировать галактики на три основных типа: эллиптические, спиральные и неправильные. Сегодня для классификации различных галактик астрономы используют разработанную Хабблом последовательность, которая помогает им точно изучать отдельно взятые галактики.

Что такое галактика

Галактика часто воображается нами такой, какой традиционно показывается в энциклопедиях и документальных фильмах — громадной спиралью из голубоватого дыма, в котором прячутся гроздья звезд, посередине которой ярко светит ядро. Однако такой «звездный остров» — всего лишь одна разновидность правильных структур. Ведь бывают и неправильные галактики, лишенные выраженных ядер и рукавов — они бултыхаются в космическом пространстве подобно яйцу, разбитому в невесомости. Издали они мало чем отличаются от хаотичных туманностей: разница состоит в размерах и концентрации звезд.

Галактика Андромеды — ближайшая к нам крупная галактика

Итак, что нужно, чтобы назвать объект галактикой?

• Во-первых, это наличие в ней звезд и звездных скоплений — они составляют львиную долю видимой нам материи галактики. Но только видимой: большую часть массы любой галактики составляют прослойки газа и пыли, молекулярные облака и темная материя.
• Во-вторых, все это богатство должно быть связано в гравитационной системе и вращаться вокруг общего центра масс. Обычно им выступает галактический центр, о котором речь пойдет дальше — но его отсутствие не препятствие.
• Кроме внутреннего гравитационного взаимодействия, галактики взаимодействуют между собой. Меньшие «звездные острова» вращаются вокруг больших — а те выстраивают связи с другими гигантами, включаясь в крупномасштабную структуру Вселенной. Но в отличие от планет и их спутников, галактики славятся «хищными» нравами. Наш Млечный путь близок к тому, чтобы через пару миллиардов лет поглотить своих спутников, Большое и Малое Магеллановы Облака — а после этого его «слопает» галактика Андромеды.

Большое Магелланово облако — галактика-спутник Млечного пути

Видной характеристикой галактики является размер — как и содержание звезд, так и размах. Однако тут как раз точности и нет. Существуют галактики, которые в радиусе сотни–второй световых лет вмещают сотни миллионов звезд. Но бывают и другие, в которых на ту же сотню световых лет рассыпаны считаные тысячи звезд. Поэтому единственный четкий критерий тут — это гравитационная отделенность от близлежащих «островов» и наличие собственного центра массы. Так, во Вселенной одновременно существуют галактики с несколькими тысячами светил, и с сотнями триллионов звезд.

Как видите, нет четких рамок или определения для понятия что такое галактика. Поэтому они такие разнообразные, часто совсем невообразимые. Это и сверхяркие мощные квазары, и Великий Аттрактор, и громадные звездные поля протяженностью в миллионы световых лет. Но даже у самых обычных галактик есть чем удивить. Об этом дальше.