11 класс
§ 78. Пространственно-временные масштабы наблюдаемой Вселенной
Расстояния до галактик.
Одной из важнейших задач астрономии, в том числе внегалактической, является определение расстояний до различных космических объектов. Это необходимо для исследования других характеристик объектов. В частности, как было показано в предыдущем параграфе, это позволяет определять физические размеры и массы галактик.
Одним из методов, позволивших измерить расстояния до галактик, было использование цефеид. Известно, что их период пульсаций связан со светимостью звезды. Сравнивая светимость и видимую яркость объекта, можно определить расстояние до него. Расстояние до видимой невооружённым глазом Туманности Андромеды составляет примерно 0,7 Мпк (2,5 млн св. лет). Большое и Малое Магеллановы Облака находятся от нас ещё ближе: 50 и 60 кпк (160 и 200 000 св. лет) соответственно.
Млечный Путь, Туманность Андромеды, галактика Треугольника (М33) и несколько десятков карликов образуют гравитационно-связанную Местную Группу. Кроме групп галактик, во Вселенной встречаются и более крупные скопления галактик, насчитывающие десятки тысяч галактик. Всё скопление при этом является гравитационно-связанным, т. е. галактики в нём движутся по замкнутым орбитам. Массы скоплений достигают 10 l5 масс Солнца. На рисунке 12.30 приведён снимок далёкой Вселенной, полученный с помощью космического телескопа им. Хаббла. При этом видно большое количество галактик, расстояния до большинства из них превышают миллиард световых лет.
Современными средствами удаётся наблюдать цефеиды на расстоянии до 20 Мпк. Расстояния до более далёких галактик определяются другими методами, например с помощью сверхновых типа Іа, для которых известно соотношение между длительностью свечения и светимостью. Сверхновые гораздо ярче цефеид, поэтому они заметны на расстояниях более 1000 Мпк. Однако метод сверхновых опирается на расстояния, измеренные по цефеидам. Для того чтобы использовать соотношение между длительностью свечения и светимостью сверхновых, необходимо измерить светимости нескольких сверхновых. Сделать это возможно, только зная расстояния до них. Наблюдение сверхновых в близких галактиках, до которых можно измерить расстояния по цефеидам, позволило пересчитать видимую яркость этих сверхновых в их светимость.
Закон Хаббла.
В спектрах удалённых галактик, находящихся за пределами Местной Группы, имеется важная особенность: все их спектральные линии смещены в красную сторону (в сторону больших длин волн) на величину ∆λ:
где λ — длина волны спектральной линии в лаборатории на Земле; λн — наблюдаемая длина волны линии от галактики, z — красное смещение, различное для каждой галактики. Если интерпретировать красное смещение как результат движения галактик, то
z = υ / с (1)
где υ — скорость галактики; с — скорость света.
В начале XX в. Хаббл измерил расстояния до нескольких галактик с помощью цефеид и обнаружил, что красное смещение галактик примерно пропорционально расстоянию до них:
υ = Hr (2)
Чем дальше от нас находится галактика, тем быстрее она удаляется и тем больше её красное смещение.
Это утверждение стали называть законом Хаббла.
Источник
Наша Галактика. Пространственные масштабы наблюдаемой Вселенной
Урок 57. Физика 11 класс
Конспект урока «Наша Галактика. Пространственные масштабы наблюдаемой Вселенной»
«Меня ужасает вечное безмолвие этих пространств»
Изучив физическую природу звезд, в данной теме поговорим про скопления звезд – галактики, а также попытаемся дать представление о том, какие огромные расстояния отделяют нашу галактику от множества других.
Наша галактика называется «Млечный Путь». Это название галактика получила из древнегреческих мифов. В одном из них говорилось, будто бы Млечный Путь – это молоко, которое пролил младенец Геркулес, когда его кормила богиня Гера. Млечный Путь действительно напоминает пролитое молоко – это широкая светящаяся полоса на небосклоне.
Еще в 1610 году Галилео Галилей, наблюдая в телескоп Млечный Путь, установил, что он состоит из громадного числа звезды. Исходя из последующих наблюдений, ученые пришли к выводу, что все эти звезды образуют целую звездную систему, которую назвали галактикой. Итак, галактика – это гравитационно связанная система, состоящая из звезд, звездных скоплений, а также из межзвездного газа и пыли. Все объекты галактики двигаются относительно общего центра масс.
Количество галактик в наблюдаемой Вселенной просто огромно. Несмотря на это, можно выделить три основных группы: эллиптические галактики, спиральные галактики и неправильные галактики. Эллиптической галактикой называется галактика, имеющая форму круга или эллипса. Спиральной галактикой называется галактика, состоящая из ядра и нескольких спиральных рукавов или ветвей. Неправильной галактикой называется галактика, у которой нет четко выраженного ядра, и при этом у неё не обнаружена вращательная симметрия.
Рассмотрим эти виды галактик более подробно. Для эллиптических галактик характерно следующее: у них нет никакой внутренней структуры и в них очень мало газа и пыли. Наблюдения показывают, что эти галактики не вращаются, а их яркость уменьшается от центра к периферии. Массы наиболее крупных эллиптических галактик достигают порядка 10 43 килограммов (то есть около десяти триллионов солнечных масс).
В отличие от эллиптических, спиральные галактики вращаются, и в них довольно много газа и пыли. Пыль и газы концентрируются в так называемых рукавах галактики, которые отходят от ядра. То, что в спиральных галактиках наблюдается обилие газовых и пылевых облаков, а также присутствие голубых звезд, говорит о том, в рукавах таких галактик активно идет процесс звездообразования.
По современным представлениям спиральные галактики имеют массу от десяти миллиардов до триллиона солнечных масс. Надо сказать, что рукава не всегда отходят непосредственно от ядра: в некоторых галактиках ядро пересекается поперечной полосой (которая называется перемычкой). Рукава отходят от концов этой перемычки. Одна из ближайших к нам звездных систем – туманность Андромеды, представляет собой спиральную галактику без перемычки. Ученые склоняются к тому, что наша галактика похожа на туманность Андромеды.
О неправильных галактиках на сегодняшний день известно очень немного. Они не имеют какой-либо структуры и не вписываются в большинство астрономических моделей, с помощью которых описываются эллиптические и спиральные галактики. Существует гипотеза, что неправильные галактики в прошлом являлись спиральными или эллиптическими, но были деформированы гравитационными силами.
Существует еще несколько типов галактик, о которых нельзя не упомянуть. Выяснилось, что в ядрах некоторых галактик происходят некие бурные процессы, сопровождаемые выбросом вещества огромной массы (порядка ста тысяч масс Солнца) с огромной скоростью (около трех тысяч километров в секунду). Такие галактики стали называть активными галактиками. Некоторые активные галактики являются мощными источниками радиоизлучения. Подобные галактики стали называться радиогалактиками.
Но еще более мощными источниками радиоизлучения являются так называемые квазары – квазизвездные радиоисточники. Светимость квазаров в сотни раз превышает светимости обычных галактик. Например, ближайший к нам квазар имеет максимальную светимость, которая превосходит светимость Солнца в триллион раз. В центре квазаров, по современным представлениям, находятся сверхмассивные черные дыры, масса которых в миллиарды раз больше массы Солнца. Квазар легко может поглотить любую звезду, просто засасывая газ этой звезды до тех пор, пока от звезды ничего не останется. Современный уровень развития технологий не позволяет хорошо изучить квазары, поэтому, вопрос о том, как устроены квазары, остается открытым.
Галактика Млечный путь относится к спиральным галактикам без перемычки. Диаметр нашей галактики составляет около 30 кпк (то есть около ста тысяч световых лет). Диаметр галактики Туманность Андромеды составляет 40 кпк. Однако, расстояние между нашей галактикой и Туманностью Андромеды примерно равно 670 кпк. Исходя из этого, можно заключить, что расстояния между галактиками превышают размеры самих галактик приблизительно в 20 раз. Что касается звезд, то расстояния между ними примерно в 27,5 миллионов раз превышают размеры самих звезд. Значит, галактики намного более сближены в пространстве, чем звезды между собой. Поэтому, помимо отдельных галактик выделяют скопления галактик. Например, скопление галактик, в которое входит Млечный Путь, называется Местной группой. В Местную группу также входит Туманность Андромеды. На сегодняшний день известно около четырёх тысяч скоплений галактик, многие из которых включает в себя тысячи галактик. Средние размеры скоплений галактик составляют порядка 8 Мпк (то есть миллионы световых лет).
Если задуматься, то можно заметить вот какой факт: многие галактики находятся от нас за тысячи и даже миллионы световых лет. Следовательно, мы, фактически видим прошлое и, таким образом, можем попытаться увидеть «молодую Вселенную».
Обратим внимание на интересный факт – разбегание галактик. Дело здесь в следующем: для изучения физических свойств галактик используется метод спектрального анализа. Многочисленные наблюдения позволили выяснить следующее: линии в спектрах всех известных галактик смещены к красному концу спектра. Это явление называется красным смещением.
Также, было замечено, что отношение смещения к длине волны спектральной линии, наблюдаемой в лаборатории, оказалось одинаковым для всех линий в спектре для данной галактики. Это дало основание полагать, что галактики удаляются от нас. Интерпретация этого явления связана с эффектом Доплера – изменением частоты и длины волн, регистрируемых приемником, вызванное движением источника.
Рассмотрим эффект Доплера на конкретном примере. Возьмем источник света с постоянной частотой испускания электромагнитных волн ν и скоростью распространения волны 
. Напомним, что длина волны равна отношению скорости распространения волны к частоте этой волны. Проведем следующий опыт: будем двигать этот источник по направлению к наблюдателю со скоростью 
. В этом случае, наблюдатель зарегистрирует длину волны, которая будет меньше, чем истинная длина волны (это называется синим смещением).
Аналогично, если мы будем двигать источник со скоростью по направлению от наблюдателя, то наблюдатель зарегистрирует длину волны, которая будет больше, чем истинная длина волны (это называется красным смещением).
Так вот зарегистрировав красное смещение у всех наблюдаемых галактик, астрономы пришли к выводу, что эти галактики удаляются от Млечного Пути. Именно, исходя из красного смещения, и были определены текущие расстояния от нас до других галактик. После определения этих расстояний Эдвин Хаббл установил довольно интересную зависимость: оказалось, что скорости удаления галактик возрастают прямо пропорционально расстоянию до них.
Эта зависимость стала называться законом Хаббла. В формуле, описывающей закон Хаббла имеется коэффициент пропорциональности – постоянная Хаббла.
Числовое значение этой постоянной может меняться в зависимости от единиц измерения (в нашем случае, это значение следует использовать, измеряя скорость в км/с, а расстояние – в Мпк).
Вообще разбегание галактик можно объяснить только тем, что вся Вселенная расширяется. Впервые модель нестационарной Вселенной предложил Александр Фридман. Он же рассмотрел её в рамках общей теории относительности и доказал, что Вселенная, однородно заполненная веществом, не может быть стационарной, то есть, она должна расширяться или сжиматься. Исходя из наблюдаемой картины разбегания галактик, можно сделать вывод, что Вселенная расширяется.
Конечно, возникает много вопросов: а куда она расширяется? Что там, докуда еще не дошло расширение Вселенной? Ответы на эти вопросы, возможно, пока что за гранью человеческого понимания. Приведем лишь оценки радиуса и возраста наблюдаемой Вселенной. Радиус Вселенной можно определить из закона Хаббла, взяв скорость расширения за максимально возможную скорость – скорость света.
Таким образом, максимальное расстояние, до которого можно наблюдать какие-либо небесные тела или астрономические объекты, составляет четыре гигапарсека.
Возраст Вселенной также можно определить из закона Хаббла. Рассмотрим галактику, находящуюся на расстоянии r от нашей галактики. Если эта галактика удаляется от нас со скоростью , то можно найти время, которое прошло с момента начала расширения. Известна простая формула
– Основные виды галактик – эллиптические галактики, спиральные галактики и неправильные галактики.
– Галактика – это гравитационно-связанная система, состоящая из звезд, звездных скоплений, а также из межзвездного газа и пыли. Все объекты галактики двигаются относительно общего центра масс.
– Наша галактика называется Млечный путь и является спиральной галактикой без перемычки. Её диаметр составляет около 30 кпк. Одной из ближайших галактик к Млечному пути является туманность Андромеды.
– Эффект Доплера – это изменение частоты и длины волн, регистрируемых приемником, вызванное движением источника.
– Частный случай эффекта Доплера – красное смещение позволило ученым определить расстояния между нашей галактикой и другими галактиками, а также – понять, что галактики разбегаются. Это свидетельствует о расширении Вселенной.
Источник