Презентация по астрономии " Звёздные системы- галактики".

Другие звёздные системы - галактики

Пространственная структура галактик

Наша Галактика – Млечный Путь

• Гала́ктика  ( др.-греч .  γᾰλαξίας «Млечный Путь» от  др.-греч .  γάλα, γάλακτος «молоко») — гравитационно-связанная система из  звёзд  и  звёздных скоплений ,  межзвёздного газа  и  пыли , и  тёмной материи . Все объекты в составе галактики участвуют в движении относительно общего  центра масс .
• Количество звезд и размеры галактик могут быть различными. Как правило галактики содержат от нескольких миллионов до нескольких триллионов (1 000 000 000 000) звезд. Кроме обычных звезд и межзвездной среды галактики также содержат различные туманности. Размеры галактик от нескольких тысяч до нескольких сотен тысяч световых лет. А расстояние между галактиками достигает миллионов световых лет.
• Наша Галактика не является единственной звёздной системой во Вселенной.
• Точное количество галактик в  наблюдаемой части Вселенной  неизвестно, но, по всей видимости, их порядка двух триллионов.
• В пространстве галактики распределены неравномерно: в одной области можно обнаружить целую группу близких галактик, а можно не обнаружить ни одной (так называемые  войды ).

Панорамный вид Млечного Пути в направлении созвездия  Лебедя

Типы галактик

• Галактики резко отличаются размерами, числом входящих в них звезд, светимостями, внешним видом.
• Э. Хаббл предложил еще в 1923 г. и усовершенствовал в 1936 г. простую и стройную классификацию галактик. Условно по внешнему виду галактики делятся на три группы: эллиптические —  E , спиральные —  S  и неправильные (иррегулярные – irregular) —  I . Спиральные галактики — самые многочисленные. В них выделено два подтипа: нормальные спиральные (обозначение S) , у которых спиральные рукава начинаются непосредственно из центральной области, и пересечённые спиральные (Sb) , у которых рукава выходят не из ядра, а связаны с перемычкой (баром), проходящей через центр галактики.
• Эллиптические галактики встречаются гигантские и карликовые. Форма  эллиптических галактик различна: от почти круглой до очень сильно сплюснутой.
• Линзообразные галактики (SO) считаются промежуточными между эллиптическими и спиральными галактиками и относятся к неправильным. Характерные представители — Большое и Малое Магеллановы Облака.

Линзовидные галактики (тип  S 0) похожи на спиральные тем, что у них есть и диск, и гало, но они, как и эллиптические, не имеют спиральных ветвей. Из общего числа галактик примерно 20% относится к этому типу.

• Все остальные галактики относятся к неправильным. Неправильные (иррегулярные) галактики не имеют правильной структуры.

Классификация Хаббла

Наша Галактика, как и туманность Андромеды, относится к типу спиральных галактик типа Sb.

Спиральные галактики

• Спиральные галактики, подобные нашей, являются наиболее распространёнными — примерно половина наблюдаемых галактик относится к этому типу. Их отличает наличие двух (иногда больше) спиральных рукавов, в которых сосредоточено много молодых ярких звёзд, светящихся газовых туманностей, а также холодных газопылевых облаков. Именно в спиральных рукавах происходит формирование звёзд из межзвёздного вещества.
• По современным представлениям, спиральные ветви — это волна повышенной плотности звёзд и газа, которая вращается вокруг центра галактики как твёрдое тело, — угловая скорость постоянна, а линейная увеличивается с увеличением расстояния от оси вращения. В ветвях нет постоянного состава звёзд и газа, они периодически вступают в область рукава. Проходя через них, волна уплотнения оказывает значительное влияние на газ — увеличение его плотности в несколько раз стимулирует начало процесса звёздообразования. Концентрация нейтрального водорода вдоль спиральных ветвей подтверждается данными радиоастрономии. Причём в одной и той же галактике (M51), по наблюдениям, в радиодиапазоне спиральные ветви прослеживаются значительно дальше от её центра, чем в оптическом диапазоне .
• Те спиральные галактики, которые мы видим «с ребра», напоминают по внешнему виду чечевицу или диск с утолщением в середине. Это утолщение представляет собой центральную, наиболее плотную часть гало, которое принято называть «балдж» (английский синоним русского слова «утолщение»). Очевидно, так выглядит и наша Галактика.

Структура спиральных ветвей

Структура спиральных ветвей: слева  — в радиодиапазоне, справа  — в оптическом

Спиральная галактика М102, видимая с «ребра»

Эллиптические галактики

Вторым по распространённости типом галактик (примерно 25% от их общего числа) являются  эллиптические . У них нет ни диска, ни спиральных ветвей, а имеется только сферическая составляющая, которая состоит преимущественно из старых звёзд красного цвета и почти не содержит холодного газа. Вероятно, всё межзвёздное вещество ушло на образование этих звёзд. В эллиптических галактиках почти отсутствуют процессы звездообразования.

Различие в спиральных и эллиптических галактиках

• — в сравнении с нашей Галактикой основная масса во всех галактиках приходится на звезды различного возраста и межзвездный газ;
• — спиральные ветви — выделяющиеся по яркости области повышенной плотности звезд и газа, расположенные внутри диска и связанные с областями звездообразования. Наша Галактика, как и туманность Андромеды, относится к типу спиральных галактик типа Sb. У эллиптических галактик диска нет и почти отсутствуют заметные количества газа и молодые звезды — в них почти отсутствуют процессы звездообразования;
• — скорость вращения определяется видом галактики. Наибольшая скорость у спиральных галактик, в то время как у эллиптических галактик заметное вращение наблюдается только при значительном сжатии галактики;
• — вероятно, различие в спиральных и эллиптических галактиках заложено с момента образования и объясняется вращением. Появление неправильных галактик пока не ясно.

Местная группа галактик

• Галактики, подобно звездам, редко бывают одиночными, группируясь в скопления правильного или неправильного типа. Данные внегалактической астрономии указывают на существование сверхскоплений галактик. Разрешить ( Разреше́ние  — способность оптического прибора воспроизводить изображение близко расположенных объектов) изображение галактик до отдельных звёзд не удавалось вплоть до начала XX века. К началу 1990-х годов насчитывалось не более 30 галактик, в которых удалось увидеть отдельные звёзды, и все они входили в  Местную группу . После запуска  космического телескопа  « Хаббл » и ввода в строй 10-метровых наземных телескопов число разрешённых галактик резко возросло.
• Наша Галактика вместе с известными галактиками Андромеды и Треугольника и расположенными в их окрестностях слабыми карликовыми галактиками образует Местную группу галактик, в составе которой насчитывается около 40 объектов. Все они связаны гравитационными силами и не удаляются друг от друга. Размеры системы составляют сотни тысяч парсек. До ближайшего скопления, находящегося в созвездии Девы, порядка 20 Мпк, а сама система имеет диаметр около 6 Мпк. Гравитационное взаимодействие вызывает значительное изменение формы галактик.
• Галактики могут сливаться, поглощая друг друга. Радионаблюдения обнаружили следы взаимодействия нашей Галактики с её ближайшими соседями — идущий к ней поток газа от Магеллановых Облаков. Вероятно, через несколько миллиардов лет их звёзды вольются в состав Галактики.

Местная группа галактик

Масса и размеры галактик

• Если же говорить о числовых значениях, то, к примеру,  масса галактик варьируется от 10 7  до 10 12  масс  Солнца , для сравнения — масса нашей Галактики  Млечный Путь  равна 2·10 11  масс Солнца.
• Диаметр галактик — от 5 до 250 кило парсек  (16—800 тысяч  световых лет ), для сравнения — диаметр  н ашей Галактики  составляет около 30 килопарсек (100 тысяч световых лет). Самая большая известная (на 2012 год) галактика  IC 1101  имеет диаметр более 600 килопарсек.

Тёмная материя

• Одной из нерешённых проблем строения галактик является  тёмная материя , проявляющая себя только в гравитационном взаимодействии. Она может составлять до 90 % от общей массы галактики, а может и полностью отсутствовать, как в некоторых карликовых галактиках.
• Оказалось, что определить точную массу галактик практически невозможно. Согласно исследованиям, почти у каждой из галактик (в том числе и у нашей Галактики) обнаружено существование обширных корон из тёмного вещества, так называемой скрытой массы  или  тёмной материи . По расчётам, её масса в несколько раз превышает общую массу всех наблюдаемых объектов галактики. Выяснилось также, что между галактиками в их скоплениях находится газ, разогретый до температуры более 10 млн К. Его полная масса сравнима с суммарной массой всех галактик скопления. Такую массу очень горячего газа гравитационные силы галактик могут удержать лишь в том случае, если в скоплении также существует тёмная материя.
• Установлено, что на роль тёмной материи не подходят ни газ, ни слабосветящиеся звёзды, ни другие объекты, состоящие из обычного вещества (протонов, нейтронов и электронов). Возможно, тёмная материя состоит из элементарных частиц подобно нейтрино, слабо взаимодействующих с обычным веществом.

Методы определения расстояний до галактик

• Известные методы для определения расстояний до галактик, их массы: спектральный метод, наблюдение цефеид и измерение параллакса (для определения расстояния до галактик). Их использование для определения расстояний до галактик возможно только для ближайших соседей Галактики — туманности Андромеды и Большого и Малого Магеллановых Облаков. Для других галактик эти методы неэффективны из-за их удаленности.
• В этих случаях пользуются другими методами, среди которых наиболее надёжным считается определение расстояния по величине «красного смещения» линий в спектрах галактик

«Красное смещение» в спектрах галактик

• Эдвин Хаббл (1889—1953) обнаружил, что в спектрах всех галактик (за исключением туманности Андромеды и других ближайших галактик) линии смещены к красному концу спектра . Это явление связано с происходящим увеличением средних расстояний между галактиками, которое называется расширением Вселенной. «Красное смещение» интерпретируется как доплеровское смещение, связанное с удалением галактики от нас. Объяснив «красное смещение» эффектом Доплера, в 1923г. Эдвин Хаббл сформулировал закон.
• Сравнив расстояние до галактик со скоростями их удаления, учёный установил, что между этими величинами существует весьма простая зависимость (закон Хаббла): v  =  HR , где  v  — скорость галактики,  R  — расстояние до неё, а  H  — коэффициент пропорциональности, называемый теперь  постоянной Хаббла . По современным данным, величина  H составляет 69 км/(с ∙ Мпк).
• Этот закон дал возможность определить расстояние до наиболее далёких объектов во Вселенной, когда непригодны все другие способы, применяемые в астрономии. Определив скорость галактики по смещению линий в её спектре, можно вычислить расстояние до неё по формуле:

• К настоящему времени измерены «красные смещения» и определены расстояния до нескольких миллионов галактик. От самых далёких из них свет идёт около 13 млрд. лет.

• Галактики — чрезвычайно далёкие  астрономические объекты . Расстояние до ближайших из них измеряют в  мегапарсеках , а до далёких — в единицах  красного смещения   z .
• Ближайшие карликовые галактики:

- карликовая галактика в Большом Псе. Она располагается на расстоянии 25 тыс. св. лет от Земли и содержит более миллиарда звезд. Карликовой же её называют потому, что наш Млечный Путь включает в себя 200-400 млрд. звёзд. Эта карликовая галактика считается спутником Млечного Пути, а открыта она была только в 2003 г.;

• - карликовая галактика, имеющая эллиптическую форму и расположенная в Стрельце. От неё Землю отделяет 70 тыс. св. лет. Эта галактика также является спутником Млечного Пути, а раз в несколько сотен миллионов лет она даже проходит сквозь плоскость нашей галактики. Всего у Млечного Пути есть не менее 17 галактик-спутников, которые на порядок меньше него.
• Галактика Андромеды (или Туманность Андромеды) - это самый близкий к нашей Галактике Млечный Путь крупнейший объект подобного типа. Она удалена от нас на расстояние в 2,5 миллиона световых лет. И это самый удаленный объект космоса, который можно увидеть невооруженным глазом. Туманность Андромеды содержит порядка триллиона звезд, то есть она в несколько раз больше Млечного Пути. Диаметр Туманности Андромеды превышает 220 тыс. св. лет.
• Самой удалённой из известных по состоянию на декабрь 2012 года является галактика  UDFj-39546284 .
• Разглядеть на  небе   невооружённым глазом  можно всего лишь четыре галактики:  галактика Андромеды  (видна в северном полушарии),  Большое и Малое Магеллановы Облака  (галактики неправильного типа, видны в южном полушарии; являются спутниками нашей Галактики) и галактика М33 в созвездии Треугольника (из северного полушария, на незасвеченном небе).

Галактики, видимые невооружённым глазом на небе

Галактика

Видимая ЗВ

Расстояние

− 26,74 ( Солнце )

0,9

Малое Магелланово Облако   (NGC 292)

0

Примечания

Наша галактика. Большинство объектов, видимых невооружённым глазом на небе

160 тыс. св. лет (50 кпк)

2,7

Галактика Андромеды (M31, NGC 224)

Видна только в южном полушарии. Самая яркая туманность на небе

200 тыс. св. лет (60 кпк)

3,4

Галактика Треугольника (M33, NGC 598)

Видна только в южном полушарии

2,5 млн. св. лет (780 кпк)

5,7

Также называется Туманностью Андромеды. Находится в созвездии Андромеды

2,9 млн. св. лет (900 кпк)

Наблюдение невооружённым глазом очень затруднено

Большое и Малое Магеллановы Облака

Они хорошо видны невооружённым глазом в Южном полушарии неподалёку от Млечного Пути. Магеллановы Облака являются спутниками нашей Галактики, расстояние до Большого около 200 тыс. св. лет, до Малого — 170 тыс. св. лет.

Туманность Андромеды (Галактика Андромеды М31)

Она видна невооружённым глазом в Северном полушарии в созвездии Андромеды. В центре галактики находятся ядра – огромные шаровые сгущения из жёлтых карликовых звёзд. А от них отходят исполинские звёздные «ветви», состоящие из голубых звёзд – гигантов.

Расстояния

Название

Галактика

Ближайшая соседняя галактика

Расстояние

Самая отдалённая галактика

Примечания

25 тыс. св. лет

Ближайший квазар

Открыта в  2003 . Спутник Млечного Пути, медленно им поглощаемый

z = 11,9

Самый отдаленный квазар

Ближайшая радиогалактика

Открыта в  2011 . Наиболее далёкая общепризнанная галактика, для которой определено красное смещение

z = 0,158

Самая отдалённая радиогалактика

Центавр A   ( NGC 5128  ,  PKS 1322-427 )

z = 6,43

Первый идентифицированный квазар

Открыт в  2007

13,7 млн св. лет

Ближайший блазар

z = 5,2

Маркарян 421   ( Mrk 421 ,  Mkn 421 ,  PKS 1101+384 ,  LEDA 33452 )

Самый отдалённый блазар

z = 0,03

Ближайшая галактика со вспышкой звездообразования

Это BL Lac object

z = 5,47

Галактика Сигара   (M82,  Arp 337 / APG 337 ,  3C 231 ,  Ursa Major A )

3,2 Мпк

Внегалактические источники излучения – это радиогалактики и квазары. Радиогалактики

Наиболее известные радиогалактики

Лебедь А – мощнейший внегалактический источник радиоизлучения

Центавр А (NGC 5128) – ближайшая радиогалактика (расстояние примерно

4 Мпк)

Дева А (NGC 4486, М 87) – одна из самых массивных галактик в скоплении Девы

Печь А (NGC 1316) – четвёртый по мощности внегалактический источник излучения

• Среди взаимодействующих галактик и галактик, имеющих близких спутников, часто наблюдаются галактики с активными ядрами . Ядро любой галактики, её центральная часть, всегда выделяется своей яркостью. Небольшое число галактик (около 1%) имеет особенно яркие ядра, в которых происходит колоссальное выделение энергии. Их активность может проявляться по-разному. Во-первых, это очень большая мощность излучения (светимость) не только в оптической, но и в рентгеновской или инфракрасной части спектра. Светимость ядер таких галактик почти такая же, как светимость всей нашей Галактики. Излучение исходит из области, диаметр которой составляет примерно 1 пк, и заметно меняется порой за несколько месяцев или даже дней. Во-вторых, в ядре происходит движение газа со скоростями тысячи километров в секунду, что приводит к появлению длинных выбросов —  джетов . В-третьих, мощные потоки электронов и протонов высокой энергии, идущие из ядра в двух противоположных направлениях, порождают синхротронное радиоизлучение.
• Галактики с активными ядрами, являющиеся источниками радиоизлучения большой мощности, называют  радиогалактиками . Их радиоизлучение может быть в десятки тысяч раз больше по мощности, чем радиоизлучение нашей Галактики или других, подобных ей.

Радиоизлучение галактики Центавр А

Внегалактические источники излучения – это радиогалактики и квазары. Квазары

• Радиоастрономические наблюдения позволили обнаружить также самые мощные из всех известных во Вселенной источники видимого и инфракрасного излучения, которые назвали  квазарами . Это слово является сокращением полного их названия — квазизвёздные радиоисточники. На фотографиях квазары действительно выглядят как звёзды, причём самый яркий из них виден как звезда 13-й звёздной величины. Однако их спектры, содержащие яркие линии излучения, напоминают спектры газовых туманностей, а сами линии сильно смещены в красную сторону спектра, как в спектре далёких галактик.
• Ближайший и наиболее яркий квазар (3C 273) имеет блеск около 13 m и «красное смещение», которое соответствует расстоянию около 2 млрд св. лет. Самые далекие квазары благодаря своей гигантской светимости, превосходящей в сотни раз светимость обычных галактик, регистрируются с помощью радиотелескопов на расстоянии более 10 млрд св. лет. В настоящее время известны тысячи квазаров.
• В квазарах наблюдаются такие явления, как изменение яркости, выброс струй вещества и т. п. Вокруг квазаров, расположенных не слишком далеко, обнаружено свечение, состав и структуру которого можно объяснить присутствием звёзд. Вероятно, квазары представляют собой ядра далёких галактик, проявляющие очень высокую активность. Имеют большую скорость удаления, что подтверждает расширение Вселенной.
• Квазары и блазары представляют собой активные ядра галактик, характеризующиеся очень большой светимостью. Главная разница между квазарами и блазарами состоит в том, что релятивистские джеты, исходящие из блазара, направлены в сторону Земли.
• Блаза́ры  — класс внегалактических объектов высокой светимости, активные галактические ядра с релятивистскими джетами, направленными в сторону наблюдателя (менее 20 градусов от луча зрения). Все блазары "светят" на Землю не прямо, а под углом 20 градусов; ближайший к нам блазар, открытый в 2018 году, находится в созвездии Ориона на расстоянии 3,7 млрд. световых лет от Земли. Специальная ориентация струи объясняет общие особенности: высокая наблюдаемая светимость, очень быстрое и значительное изменение светимости с периодичностью в несколько суток или даже часов, высокая поляризация. Все известные к настоящему времени блазары (их около 200) расположены в центре эллиптических галактик, а наша Галактика имеет спиральную форму.

Ближайший и наиболее яркий квазар (3C 273)

Квазар SDSS j1106 примечателен своим истечением энергии.  Это рекордсмен по самому мощному истечению вещества  квазаром

Ближайший блазар

Изображение

блазара Markarian 501 , полученное во время слоановского цифрового небесного обзора, которое показывает яркое ядро и эллиптическую галактику-хозяина.

Гигантские струи, выбрасываемые из квазара SDSS J1106+1939 по мощности эквивалентны излучению как минимум 200 триллионов Солнц. Другими словами, это примерно в 100 раз больше общей мощности всей нашей Галактики Млечный Путь. Этот квазар выбрасывает массу, равную примерно 400 Солнцам со скоростью 8000 километров в секунду.

Новые внегалактические объекты - квазаги

• У квазаров особенно интенсивен ультрафиолетовый участок спектра. Когда это было обнаружено, то стали искать такие слабые звездообразные объекты, у которых ультрафиолетовый участок спектра также более интенсивен, и они были найдены. Часть из них оказалась голубыми звёздами, а у других голубых объектов обнаружено очень большое красное смещение спектральных линий, чем доказывается внегалактическая природа «голубых» квазизвёзд. Вместе с тем их радиоизлучение очень незначительно. Следовательно, были найдены еще новые разновидности внегалактических объектов, которые назвали квазизвёздными галактиками или квазагами .
• Кваза́г («quasag» - от quasi-stellar galaxy  звездоподобная галактика) - космический объект, напоминающий квазар, но не обладающий сильным радиоизлучением.  Квазаги  были открыты в 1965 году американским астрономом А. Сэндиджем.