Эволюция и строение галактик

Введение
1. Галактики – «острова Вселенной»
2. Строение галактик: форма, размеры, динамика
3. Эволюция галактик
Заключение
Список литературы

Эволюция и строение галактик

Недавно открыта новая галактика, которая находится от нас на расстоянии всего 55 тыс. световых лет. Ее назвали Сникерс (усмешка, ухмылка)3.
2. Строение галактик: форма, размеры, динамика
Галактика состоит из двух основных подсистем диска и гало, вложенных одна в другую и гравитационно-связанных друг с другом. Первая – сферическое 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. Его масса равна 150 млрд. масс Солнца. Он представляет собой две сложенные краями тарелки. В диске концентрация звезд значительно больше, чем в гало. Диаметр диска Галактики – 30 кпк (килопарсек) (100000 световых лет), толщина диска – 1000 световых лет.
Центральная, наиболее компактная область Галактики называется ядром. Размер ядра составляет около нескольких кпк. Расстояние от Солнца до ядра Галактики составляет около 30 тыс. световых лет и 22 000 световых лет от края Галактики. Плотность звезд достигает 107 звезд/пк3, тогда как вблизи Солнца – одна звезда на 10 пк3. Мощное излучение от ядра существует в радиодиапазоне и в инфракрасной области. В 2004 году окончательно доказано, что в центре Галактики находится черная дыра с массой около трех миллионов масс Солнца.
В кольцевой области галактического диска от 3 до 7 кпк сосредоточено почти все молекулярное вещество межзвездной среды (облака пыли и газа).
Сейчас установлено, что средняя плотность водорода в межзвездной среде порядка 0,1 частицы в 1 см3, а в плотных облаках – до нескольких тысяч. Соотношение водорода и гелия в межзвездной среде оценивается как 9:1.
Межзвездная среда ослабляет свет, она похожа на пыль, концентрация которой в 100 раз меньше газовой. Частицы пыли похожи на ледяные загрязненные кристаллики, температура которых ≈ 17 К. Газопылевые облака поглощают свет далеких звезд4.
По внешнему виду галактики условно разделены на три основных типа: эллиптические, спиральные и неправильной формы.
Неправильные галактики состоят из значительных масс газопылевой материи и из «молодых» звезд, излучающих большое количество энергии, где отсутствуют ядра. Подобные звезды, существующие и в нашей Галактике, относятся к «населению I», в отличие от «старых» звезд, которые составляют «население II». Представителей звезд «населения II» в неправильных галактиках не обнаружено. Например, Магеллановы Облака, относятся к типу неправильных галактик. Они являются спутниками нашей Галактики.
Спиральные галактики состоят как из звезд «населения I», так и из звезд «населения II». Здесь имеются четко выраженные сферические подсистемы, составляющие ядро, и плоские подсистемы, образующие спиральные ветви Галактики. Наша Галактика принадлежит к числу спиральных. Ветви спиральных галактик, как и у нашей Галактики, состоят из горячих звезд, цефеид, сверхгигантов, рассеянных звездных скоплений и газовых туманностей. Галактики излучают различные электромагнитные волны. Такие излучения исходят от нейтрального водорода, а также от ионизированного горячего водорода в светлых туманностях. Нейтрального водорода в них содержится около 10% от массы галактики.
В эллиптических туманностях преобладают звезды "населения II", образующие сферические подсистемы. Спиральные ветви здесь уже отсутствуют, и соответственно очень редко встречаются звезды "населения I". Это системы, которые израсходовали основную массу диффузной материи благодаря образованию из нее звезд и находятся на завершающей стадии эволюции. Они вращаются крайне медленно и потому слабо сплюснуты в отличие от быстро вращающихся спиральных галактик. По виду эллиптические галактики похожи на шаровые звездные скопления. Они не содержат ни звезд-сверхгигантов, ни диффузных туманностей5.
3. Эволюция галактик
Эволюция галактик – количественные и качественные изменения, которые претерпевают галактики за очень длительные промежутки времени.
Первым условием появления галактик во Вселенной стало появление случайных скоплений и сгущений вещества в однородной Вселенной. Впервые подобная мысль была высказана И. Ньютоном, который утверждал, что если бы вещество было равномерно рассеяно по бесконечному пространству, то оно никогда бы не собралось в единую массу. Оно собиралось бы частями в разных местах бесконечного пространства.
Второе условие появления галактик – наличие малых возмущений, флуктуаций вещества, ведущих к отклонению от однородности и изотропности пространства. Именно флуктуации и стали теми «затравками», которые привели к появлению более крупных уплотнений вещества. Эти процессы можно представить по аналогии с процессами образования облаков в атмосфере Земли6.
В настоящее время имеются довольно хорошо разработанные модели превращения огромного облака газа, сжимающегося в результате действия закона всемирного тяготения сперва в протогалактику, а потом в галактику. В самом начале следует представить себе огромный газовый шар, сжимающийся по закону свободного падения к центру. Первоначальная температура этого газа могла быть достаточно высокой, быстро уменьшалась, причем из-за гравитационной неустойчивости образовывались больших размеров сгущения, эволюционировавшие в облака. Благодаря беспорядочным движениям, эти облака сталкивались, что вело к их дальнейшему уплотнению. На этом довольно раннем этапе из облаков стали образовываться звезды «первого поколения», состоящие в основном из водорода и гелия. Наиболее массивные из них успевали проэволюционировать задолго до того, как прекратилось сжатие протогалактик. Звезды следующих поколений имели уже другой химический состав. Это привело, например, к тому, что звезды вблизи центра эллиптических галактик более богаты тяжелыми элементами, чем находящиеся на периферии, что как раз и наблюдается.
В спиральных протогалактиках звездообразование шло медленнее. Этому способствовало также довольно быстрое вращение спиральных протогалактик, препятствующее оттоку всего газа в область ядра и превращению его там в звезды.
Таким образом, разные типы галактик происходят от протооблаков с разными плотностями и разным разбросом скоростей внутренних движений. В частности, эллиптические галактики образовались из более плотных облаков газа, находящегося в состоянии довольно быстрого беспорядочного движения. В «бедных» разряженных скоплениях наблюдаются преимущественно спиральные галактики7.
Предполагают, что Галактика как система звезд образовалась примерно 13 млрд. лет назад. На «догалактической» стадии вещество Вселенной не содержало никаких элементов, кроме водорода (3/4) и гелия (1/4). Более тяжелыми элементами обогатили межзвездную среду оболочки взрывающихся звезд. Первые поколения звезд содержат элементы более тяжелые, условно их называют металлами.
Появление тяжелых элементов говорит о том, что, прежде чем попасть в эти звезды, первичное вещество подверглось каким-то ядерным превращениям и обогатилось тяжелыми элементами. Большинство звезд имеют малую массу, которой недостаточно для выработки тяжелых металлов путем термоядерных реакций. Такие звезды, как наше Солнце, способны только превращать водород в гелий, поэтому их химический состав не меняется и соответствует тем химическим элементам, из которых они образовывались. Тот факт, что молодые звезды гораздо богаче металлами, чем старые и что межзвездная среда имеет близкий процент содержания металлов, говорит о том, что звезды генетически связаны с межзвездным газом8.
Существуют предположения относительно того, почему чаще встречаются спиральные галактики, чем эллиптические и неправильные. Вначале образуется объект неправильной формы, затем за несколько сотен миллионов лет неровности сглаживаются, и образуется массивная эллипическая галактика. Постепенно в результате вращения такой галактики может образовываться дискообразная структура, которая со временем будет приобретать облик спиральной галактики. Подтверждением этой точки зрения является наличие галактик переходного типа, занимающих промежуточное положение между спиральными и эллиптическими галактиками.
Есть среди части ученых мнение, что различия между эллиптическими и спиральными галактиками не являются эволюционным эффектом. Другими словами, галактики рождаются либо как спиральные, либо как эллиптические, и в процессе эволюции тип галактики сохраняется. Структура галактики определяется начальными условиями ее образования, например характером вращения того сгустка газа, из которого она образовалась.
Также есть предположение, почему в скоплениях галактик присутствует одна гигантская галактика, а остальные – мелкие. Считается, что вначале гигантская галактика лишь немного превосходила по своим размерам соседние галактики. Но по мере того, как галактика двигалась по спиральной траектории к центру скопления, она заглатывала более мелкие системы.
Были выдвинуты гипотезы, объясняющие вращение галактик. Сегодня считается, что на ранних стадиях эволюции протогалактики были гораздо больше, чем сейчас. Кроме того, космологическое расширение не успело их разогнать далеко друг от друга, поэтому между ними возникали значительные гравитационные силы. Эти силы принимали вид приливных взаимодействий, которые и вызывали вращение галактик9.