Urok30-Метагалактика

Урок 30

Тема: Метагалактика

Скопление галактик в Волосах Вероники, 21.03.2006г

Кратная система

Галактики, подобно звездам, редко бывают одиночными. Они тяготеют к объединению. 90% галактик находится в скоплениях, насчитывающих от десятков до тысяч галактик. Средний диаметр скопления 5 Мпк, среднее число галактик в них не менее 130.

Скопление галактик в созвездии Печи

а) Галактика (Млечный путь) - имеет спутники = спиральные галактики БМО, ММО, и известны еще 3 спиральных, более 10 эллиптических и более 20 небольших карликовых галактик. Ближайшая в 24 кпк.

б) М31 (Туманность Андромеды) - окружена крупными спутниками M32 и M110 и не менее 20 небольших карликовых  галактик.

Млечный путь и его спутники

Местная группа

     Совокупность спиральных галактик Млечный Путь , туманность Андромеды ( M31 ) и M33 в Треугольнике со своими спутниками (всего более 60 галактик) образуют Местную группу .

Многие настолько слабы, что на больших расстояниях обнаружить их очень трудно, а поэтому общее количество их неизвестно.

Местная группа не имеет центрального уплотнения, состоит из двух подгрупп сосредоточенных вокруг двух наиболее массивных ее членов – доминирующего М31 и Галактики.

Местная группа занимает объем пространства с радиусом около 3 млн. световых лет (1 Мпс). Она движется со скоростью 635 км/с относительно реликтового излучения.

dE3

dSph

IB(s)m

dSph

Peg

n6822

leo1

WLM

В пределах 16 Мпк имеется около 50 местных групп . Вот некоторые из них :

IC342/Maffei – в ≈ 3,0 Мпк

Группа M81 -  в ≈ 3.5 Мпк

Группа NGC 5128 ( Центавр A) – в ≈ 3,4 Мпк

Группа в Гончих Псах – в ≈ 4,3 Мпк

Группа M96 - группа Лев I

Группа M66 - триплет в созвездии Льва

Группа NGC 5236 – в ≈ 4,2 Мпк

Группа M101 – в ≈ 7,3 Мпк

Местный комплекс

Местное сверхскопление (сверхскопление Девы, богатое скопление) - скопление скоплений галактик диаметром около 30 Мпк разделяется на: Местный Комплекс галактик и скопление в Деве .

Местная Группа , находясь на периферии примерно в 10 Мпк от центра сверхсистемы, входит в Местный Комплекс , включающий также близкие группы галактик - IC342/Maffei , М 81 , Гончие Псы , М 101 , NGC 5128 и другие, имеющие лучевые скорости менее чем 500 км/с (что соответствует примерно 7 Мпк). Местный Комплекс содержит порядка 280 галактик (на 1980г, явно не полный список), включая 255 галактик с V o  

Понятие Местный Комплекс было введено в работе Kraan-Korteweg и Tammann (1979г).  Из всех галактик Местного Комплекса 6 имеют массы больше 3 . 10 11    M  : Галактика, M31, M81, NGC 5128, NGC 5236 и M101. Распределение галактик по морфологическим типам имеет ассиметрию с минимумом на типах S0-Sa, а более половины - иррегулярные карликовые галактики.

На снимке М81 и М82, а ниже схема группы М81

Скопление в Деве

Скопление галактик в Деве ( Virgo Cluster) - скопление более 2000 галактик, расположенное на расстоянии от 15 до 22 мегапарсек, охватывает 120 квадратных градусов неба и имеющее диаметр более 6 Мпк (около 8° с центром в созвездии Девы) - ближайшее к Местной группе крупное скопление. Скопление в Деве является доминирующим и определяет барицентр нашего Местного Сверхскопления . Барицентр Местной Группы двигается в направлении центра Местного Сверхскопления со скоростью около 300 км/с ("поток в направление на  Деву "). Наиболее массивная в скоплении - гигантская эллиптическая галактика M87 сравнимая по размерам с Местной Группой. Шестнадцать наиболее ярких членов скопления включено в Каталог Мессье.

Галактики в Скоплении имеют диапазон собственных скоростей от -200 до +2000 км/с. Движение галактик внутри и около скопления показывают, что они содержат больше темного вещества, чем наблюдаемого. В скоплении находятся не только галактики, состоящие из звезд, но также газ (в среднем один атом в кубическом дециметре, а по массе сопоставимо с массой всех звезд скопления), настолько горячий (свыше 10 млн.К), что он излучает рентгеновские лучи. На этом изображении центр скопления в Деве: видны яркие галактики M86, M84, а также выше NGC 4388 и NGC 4387 в середине.

Через центр скопления в Деве проходит цепочка Маркаряна - вверху справа две большие линзовидные галактики - M84 и M86, внизу слева большая спиральная M88, в нижнем правом углу гигантская эллиптическая галактика M87.

Сверхскопления

Это концентрация богатых скоплений галактик. Известно около пятидесяти (Каталог Дж.Эйбелл, разделив на правильные и неправильные (сравнивая с шаровыми и рассеянными скоплениями звезд), содержащих в среднем по двенадцать богатых скоплений галактик (самое крупное насчитывается 29 богатых скоплений). Эти структуры имеют в поперечнике сотни миллионов световых лет.

Наш Местный комплекс находится на периферии сверхскопления диаметром в 40 Мпк с центром в богатом скоплении Девы , содержащем около 400 скоплений, собранных в слои и полосы, разделенные промежутками и более 30000 галактик с концентрацией в Деве (карты Местного сверхскопления Брента Талли (1982г, США), СС в центре - 60% находятся в узком слое толщиной всего около 10 млн. св. лет вблизи плоскости Сверхскопления, 40% галактик расположены вне плоскости Сверхскопления). При этом 98% галактик Местного сверхскопления принадлежат 11 облакам, суммарный объем которых не превышает 5% объема всего Сверхскопления и вытянутым в направлении скопления Девы.

Сверхскопление в Геркулесе в 200 Мпк от нас

Метагалактика - вся наблюдаемая часть Вселенной , размер которой ограничен расстоянием прошедшим светом с момента Большого Взрыва. В Метагалактике пространство между галактиками заполнено чрезвычайно разряженным межгалактическим газом, пронизываемым космическими лучами, гравитационными и электромагнитными полями. Большая часть вещества для нас невидима (темная материя). В принципе во Вселенной возможно существование и других метагалактик.

Метагалактика

Сводная карта распределения галактик в обзоре Las Campanas Redshift Survey, проведенном с 1988 по 1994 годы. Средняя глубина обзора - 30000 км/с. LCRS обнаруживает богатую волокнистую структуру, скопления и пустоты вплоть до 50000 км/с.

    Мы не в силах увидеть, какой облик в данный момент времени имеет наша Метагалактика: чем дальше находится космический объект, тем большее прошлое объекта мы наблюдаем. Солнце мы видим таким, каким оно было 8 минут 20 секунд назад – столько времени понадобилось солнечному лучу, чтобы преодолеть расстояние до Земли; ближайшую спиральную галактику М 31 – такой, какой она была около 2,5 миллионов лет назад; квазары и самые далекие галактики "сдвинуты в прошлое" на 8-13 млрд. лет.     Метагалактика - это предельная по степени общности и объему, обладающая структурностью на всех своих уровнях система космических объектов массой около 10 52 кг, размерами около 10 23 - 10 24 км (≈14 млрд. св. лет) и возрастом  до 14 миллиардов лет.

WMAP

Собранная WMAP (Wilkinson Microwave Anisotropy Probe, запуск 30 июня 2001) по наблюдению микроволнового фона информация позволила к 2006 году построить самую детальную на сегодня карту флуктуаций температуры распределения микроволнового излучения на небесной сфере.

Из данных WMAP определены (исходя из ΛCDM -модели):

возраст Вселенной: (13,7 ± 0,2)х10 9 лет;

постоянная Хаббла: 71 ± 4 км/(с/Мпк);

плотность барионов: (2,5 ± 0,1)х10 —7 см —3 ;

отношение общей плотности к критической: 1,02 ± 0,02;

суммарная масса всех трёх типов нейтрино:

Космология

Р аздел астрономии, изучающий происхождение, свойства и эволюцию Вселенной.

Физическая (наблюдательская) космология занимается наблюдениями, которые дают информацию о Вселенной в целом. Результаты, полученные внегалактической астрономией, являются основным наблюдательным материалом для космологии.

Теоретическая космология - разрабатывает модели в математических терминах, которые должны описывать наблюдаемые свойства Вселенной.

  Теоретическая космология обычно основывается на общей теории относительности, разработанной в начале 20-го века немецким физиком Альбертом Эйнштейн (1879-1955). На больших расстояниях преобладающей силой, воздействующей на вещество, является гравитация, и, следовательно, именно она определяет крупномасштабную структуру Вселенной. Общая теория относительности способна описать связи между пространством, временем, веществом и гравитацией. Эйнштейн, придерживаясь точки зрения не меняющегося состояния Вселенной со временем, для уравновешивания силы притяжения, ввел гипотетические силы отталкивания и космологическую постоянную - Λ-член .

В 1922-1924гг российский математик Александр Александрович Фридман (1988-1925), решая уравнение Эйнштейна, вывел идею глобальной эволюции Вселенной, т.е. материя в масштабах Вселенной однородна и изотропна и не может находиться в покое - Вселенная либо должна сжиматься, либо расширяться. Все зависит от средней плотности материи (критическая 10 -26 кг/м 3 ). Но к сожалению мы видим лишь небольшую часть материи, остальная представляет невидимую часть (скрытую массу), а потому оценить среднюю плотность не можем.

1. Чем сильнее смещены линии в спектре галактики, тем дальше галактики. Зависимость красного смещения от расстояния до галактик " width="640"

Закон Хаббла

В 1929г  Эдвин Поуэлл ХАББЛ (1889-1953, США) открывает красное смещение - увеличение расстояния между нашей Галактикой и другими галактиками.

Красное смещение (скорость) возрастает пропорционально расстоянию до галактик (коэффициент Н=75 км/(с . Мпк) -постоянная Хаббла). В 2005г получено значение Н 0 =(72±3) км/с/Мпк.

Расширение Метагалактики (с ускорением) происходит только на уровне скоплений и сверхскоплений и не существует центра, от которого разбегаются галактики . Начало расширения R/(H . R)=1/H≈14 млрд.лет , а размер наблюдаемой Вселенной R=с/H≈4300 Мпк .

Закон Хаббла плохо выполняется или совсем не выполняется для объектов, находящихся на расстоянии ближе 3-5 Мпк, то есть для тех галактик, расстояния до которых наиболее надёжно определяются без красного смещения.

Закон Хаббла плохо выполняется и для галактик на очень больших расстояниях (в миллиарды св.лет), которым соответствует величина z 1.

Чем сильнее смещены линии в спектре галактики, тем дальше галактики.

Зависимость красного смещения от расстояния до галактик

Теория Горячей Вселенной

Исходя из теории Фридмана в момент начала расширения Вселенной вещество имело колоссальную плотность. В 1948г Георгий Антонович Гамов (1904-1968) выдвигает идею, что на начальном этапе вещество имело не только колоссальную плотность, но и очень высокую температуру (теория Большого Взрыва).

В 1965г было открыто космическое фоновое излучение, предсказанное Гамовым, получившим название реликтового (электромагнитное излучение водорода с температурой 2,7К), подтверждающее положение космологии Большого Взрыва.

     Используя законы физики, можно просчитать в обратном направлении все состояния, в которых находилась Вселенная, начиная с 10 -43 секунд после Большого Взрыва (Планковское время). Наблюдаемая Вселенная с очень хорошей точностью однородна и изотропна, и является геометрически плоской. Это явление объясняется эпохой космической инфляции (около 10 -37 секунд ), во время которой Вселенная расширилась во много раз.

Приблизительно с 1 секунды после Большого Взрыва материя охладилась достаточно для образования стабильных нуклонов и начался процесс первичного нуклеосинтеза. Он длился до возраста Вселенной 3 минуты , и за это время образовался первичный состав звёздного вещества: около 25% гелия-4, 1% дейтерия, следы более тяжёлых элементов до бора, остальное - водород.

Вселенная постепенно охлаждалась и через 379 000 лет стала достаточно холодной для образования атомов (3000 К), перейдя из состояния плазмы, непрозрачной для большей части электромагнитного излучения, материя перешла в газообразное состояние. Тепловое излучение той эпохи мы можем непосредственно наблюдать в виде реликтового излучения. На этой стадии Вселенная стала прозрачной для излучения. Плотность вещества теперь стала выше плотности излучения, что и определяло скорость расширения Вселенной. Фоновое микроволновое излучение - все, что осталось от сильно охлажденного излучения ранней Вселенной.

Первые галактики начали формироваться из первичных облаков водорода и гелия только через один или два миллиарда лет.

Современные представления о зарождении Вселенной