Жизнь и разум во Вселенной: проблема внеземных цивилизаций. Острова Вселенной: галактики

Спиралевидные галактики обычно имеют форму диска с явно выраженной спиралевидной структурой, почему и получили своё название. У таких галактик можно выделить центр, рукава и гало. Центр - это массивное и плотное скопление звёзд, обычно молодых, и межзвёздного вещества. Предположительно, в центрах спиралевидных галактик могут находиться чёрные дыры. Рукава - звёздные образования в галактическом диске, имеющие форму расходящихся от центра спиралей. Их возникновение обусловлено вращением галактики. Большинство звёзд вне центра галактики находятся именно в рукавах. Гало - звёзды, находящиеся вне галактического диска, но, тем не менее, причисляемые к данной галактике.

          Эллиптические галактики наиболее часто встречаются в плотных скоплениях галактик. Они имеют форму эллипсоида, чаще всего шара. Наибольшие из известных галактик - именно шаровые. Скорость их вращения обычно значительно меньше, чем у спиралевидных, и диск просто не формируется. Такие галактики обычно насыщены Шаровыми скоплениями.                     

 Галактики неправильной формы обычно имеют слишком малую массу, чтобы иметь чёткую структуру, либо находятся под воздействием более крупных объектов. Яркость и светимость их невелики. В них обычно очень мало шаровых скоплений. Типичными примерами таких галактик являются спутники Млечного Пути - Большое и Малое Магеллановы Облака. К неправильным галактикам относят и взаимодействующие галактики.

Форма и структура  галактик связанны с их основными  физическими характеристиками: размером, массой, светимостью. И по этим характеристикам мир галактик  оказался поразительно разнообразным.

В центрах галактик обычно сосредоточено огромное количество вещества (до 10 % всей ее массы). У некоторых галактик есть маленький центр, излучающий огромное количество энергии. Они называются галактиками с активными ядрами. Ядро содержит небольшой, но очень массивный объект, скорее всего черную дыру, которая такая плотная, что создает колоссальное притяжение и поглощает все, что окажется рядом, - даже свет.

Обнаружено несколько  типов галактик с активными ядрами, содержащими черные дыры. Их активность зависит от степени сжатия газа вокруг дыры, оценивать которую следует с учетом того, наблюдаем ли мы диск сбоку или сверху.  Активные ядра галактик выделяют огромное количество энергии из очень маленького пространства. В ядре, по мнению ученых, черная дыра «пожирает» газовый диск. Затягиваясь в нее, вещество разогревается и становится мощным излучателем энергии. Иногда газа вокруг черной дыры столько, что выделяющаяся энергия отбрасывает часть его обратно в космос, и образуются раскаленные струи длиной в тысячи световых лет.

Астрофизики считают  черные дыры очень странными небесными  объектами, внутри которых замедляется время, сворачивается пространство. И все же во Вселенной их миллионы, некоторые диаметром всего в несколько километров, некоторые размером с Солнечную систему. И хотя способность удерживать внутри себя всякое излучение относится к главным особенностям черных дыр, астрономы обнаруживают их по чрезвычайно ярким вспышкам, возникающим в окрестности дыры, когда она «проглатывает» неосторожно приблизившуюся к ней звезду или галактические газы. Вспышки гамма-лучей, взрывы с выделением колоссального количества энергии, происходящие во время взрыва звезды и превращения ее в черную дыру, также фиксируются приборами.

 

 

Так анонимный  художник Европейского космического агентства (ESA) изобразил момент «проглатывания»  черной дырой (справа) оказавшейся поблизости звезды (слева). Прежде чем газ упадет на поверхность дыры, он закрутится вокруг нее со скоростью близкой к световой. Именно из этого хоровода вырывается мощный поток рентгеновского излучения. Иллюстрация: ESA

 

По нашим человеческим меркам галактики невообразимо огромны, но в космологических масштабах они ничтожно малы. Космология рассматривает поведение Вселенной лишь в масштабах такого или более высокого порядков. Процессы,  происходящие в отдельных галактиках, редко становятся существенными в космологии.

 

 

 

        

 

2.Наша Галактика – звездный дом человечества.

 

Особый интерес вызывает вопрос о том, что представляет собой наш звездный дом – наша Галактика. Те отдельные звезды, которые мы можем различить на ночном небе, - просто ближайшие к нам члены нашей Галактики. Большая же часть видна лишь как размытая световая полоса, пересекающая небо. Это так называемый Млечный Путь. Древние сравнивали эту идущую поперек неба  мерцающую полосу с потоком молока. Для изучения структуры Галактики очень невыгодно положение Земли: мы живем в ней и видим ее изнутри. Только в 30-е годы XXI века стало ясно, что Солнце расположено не в середине Галактики, а примерно в двух третях пути от центра к краю. Затем радиотелескопы обнаружили несколько спиральных ветвей – рукавов Млечного Пути.

Наша Галактика – гигантская звездная система, состоящая приблизительно из 200 млрд. звезд, среди них и наше Солнце, которое находится в ветви Ориона, часть которой мы видим на звездном небе. Перед ней расположена ветвь Персея, а позади – ветвь Стрельца. Звезды, их скопления, газопылевые облака – все вращается вокруг центра Галактики. Наше Солнце совершает полный оборот вокруг него за 226 млн. лет со скоростью 220 км/сек.

По форме наша Галактика  представляет собой диск с шарообразным утолщением в центре. Диаметр Галактики равен 100 000 световых лет, толщина ядра около 6 000 световых лет, а масса составляет 2 * 10 ¹¹ масс Солнца.

 

           

   

 

 Около 1 % этой массы  составляет межзвездный водород,  преимущественно нейтральный. Возраст  Галактики около 15 млрд. лет.

Звездный состав Галактики  очень разнообразный. Звезды различаются  по физическим, химическим характеристикам, особенностям орбит, возрасту и т. п. Есть старые звезды и молодые, некоторые звезды рождаются в настоящее время. По взбитым облакам межзвездного вещества можно определить участки, где происходит интенсивное образование звезд в рукавах, расположенных ближе к нам. Это туманности Орла, Омеги, а также Трехраздельная туманность и туманность Лагуны. Наше Солнце относится к подавляющему большинству звезд, имеющих «средний» возраст – несколько миллиардов лет.

В центральном сферовидном  выступе Галактики находятся  старые красные и желтые звезды. Здесь сравнительно немного межзвездного вещества, а процессы рождения новых звезд относительно ограниченны.

До последнего времени  было неизвестно, что располагается  внутри центральной сферы, так как  мощные облака газа и пыли загораживали вид. Исследования этого участка  с применением приборов, воспринимающих радио- и инфракрасные волны позволили  выявить ряд необычных признаков.

В самом центре был  обнаружен мощный источник радиоволн, известный как  А Стрельца. По-видимому, он соответствует черной дыре с массой 2,5 млн. масс Солнца.

 

 

           

 

 

3.Межзвездная среда

 

Вселенная - это, по сути, почти пустое пространство. Звезды занимают лишь ничтожную его долю. История звезд начинается не с самих звезд, а с огромного пространства, которое существует между ними. В межзвездном пространстве присутствует газ, хотя и в очень малых количествах.

Все, что заполняет  пространство между звездами внутри галактик, называется межзвездной средой. И основное, что составляет межзвездную среду - это межзвездный газ, который на 90 % состоит из атомарного водорода – легчайшего химического элемента. Он довольно равномерно перемешан с межзвездной пылью (около 1 % массы) и пронизывается межзвездными магнитными полями, космическими лучами и электромагнитным излучением.

Пылью в астрономии называют небольшие, размером в доли микрона, твердые частицы, летающие в космическом  пространстве. Часто космическую пыль условно делят на межпланетную и межзвездную. Ядро частицы пыли состоит, по-видимому, в основном из углерода, кремния и металлов. А оболочка — преимущественно из намерзших на поверхность ядра газообразных элементов, закристаллизовавшихся в условиях «глубокой заморозки» межзвездного пространства (около 10 градусов по шкале Кельвина), водорода и кислорода.

 

 

 

Водород составляет около 75% межзвездной среды, а гелий  около 23%. Оставшиеся 2% это остатки  тяжелых элементов, которые астрономы довольно неразборчиво называют «тяжелыми металлами», хотя в эту группу попадают и углерод с кислородом.

 

Из межзвездного газа образуются звезды, которые на поздних  стадиях эволюции вновь отдают часть  своего вещества межзвездной среде. Некоторые из звезд, умирая, взрываются как сверхновые, выбрасывая обратно в пространство значительную долю водорода, из которого они когда-то образовались. Сверхгиганты выделяют железо. Все более тяжелые элементы возникают при взрыве сверхновой звезды, что соответствует смерти сверхгиганта.

В межзвездной среде  астрофизики наблюдают и различные органические соединения: углеводород, спирты, альдегиды, эфиры, аминокислоты, такие как муравьиная и уксусная, глицин, и другие соединения, в которых молекулы содержат до 18 атомов углерода, а самые тяжелые имеют массу до 123 масс водорода.

Группе ученых под  руководством Адольфа Уитта (Adolf Witt) из университета г. Толедо (штат Огайо) с помощью телескопов в Чили и  в штате Аризона удалось обнаружить в ультрафиолетовом диапазоне спектра  излучения одной из галактик, расположенной в 1000 световых лет от Земли, характерные линии двух углеводородов - антрацена и пирена. Эти два углеводорода, содержащие 24 и 26 атомов углерода соответственно, являются представителями группы полициклических ароматических углеводородов. Эти молекулы легко обнаружить в продуктах сгорания дизельных двигателей и ТЭЦ.

Адольф Уитт убежден  также, что антрацен и пирен - не самые  крупные органические молекулы, возникающие  в ходе такого синтеза, физика процесса допускает образование и более крупных молекул или частиц, содержащих миллионы атомов углерода. Сложные углеводороды, принесенные звездным ветром, а также аминокислоты, которые обнаруживаются в метеоритах, могли при попадании на Землю в ранний период ее развития создать благоприятные условия для возникновения жизни.

 

 

 

 

 

 

4.Тайна юной Вселенной

 

Если галактика сформировалась, то откуда в ней берется пыль —  в принципе ученым понятно. Наиболее значительные ее источники — новые  и сверхновые, которые теряют часть  своей массы, «сбрасывая» оболочку в окружающее пространство. Кроме того, пыль рождается и в расширяющейся атмосфере красных гигантов, откуда она буквально выметается давлением излучения. В их прохладной, по меркам звезд, атмосфере (около 2,5 — 3 тысяч градусов по шкале Кельвина) довольно много сравнительно сложных молекул.

Но вот загадка, не разгаданная до сих пор. Всегда считалось, что пыль — продукт эволюции звезд. Иными словами – звезды должны зародиться, просуществовать какое-то время, состариться, и, скажем, в последней вспышке сверхновой произвести пыль. Что же появилось раньше – первая пыль, необходимая для рождения звезды, или первая звезда, которая почему-то родилась без помощи пыли, состарилась, взорвалась, образовав самую первую пыль?

Что было вначале? Ведь когда 14 млрд. лет назад произошел Большой взрыв, во Вселенной были только водород и гелий, никаких других элементов! Это потом из них стали зарождаться первые галактики, огромные облака, а в них — первые звезды, которым надо было пройти долгий жизненный путь. Термоядерные реакции в ядрах звезд должны были «сварить» более сложные химические элементы, превратить водород и гелий в углерод, азот, кислород и так далее, а уж после этого звезда должна была выбросить все это в космос. Затем этой массе нужно было охладиться, остыть и, наконец, превратиться в пыль. Но уже через 2 млрд. лет после Большого взрыва, в самых ранних галактиках, пыль была! С помощью телескопов ее обнаружили в галактиках, отстоящих от нашей на 12 млрд. световых лет. В то же время астрономы считают, что 2 млрд. лет — слишком маленький срок для полного жизненного цикла звезды: за это время большинство звезд не успевает состариться. Откуда в юной Галактике взялась пыль, если там не должно быть ничего, кроме водорода и гелия, — тайна.

 

5.Понятие Метагалактики

 

Совокупность галактик всех типов, квазаров, межгалактической среды образует Метагалактику –  доступную наблюдениям часть  Вселенной.

Одно из важнейших  свойств Метагалактики –  так называемый «разлет» скоплений галактик. Постоянное расширение Вселенной  происходит, по мнению ученых вследствие Большого Взрыва. Согласно  этой теории Вселенная возникла приблизительно 14 млрд. лет назад в результате грандиозного взрыва, создавшего пространство и время, всю материю и энергию, которые нас окружают.

До возраста приблизительно 300 тыс. лет Вселенная была кипящим  котлом из электронов, протонов, нейтрино и излучения, которые взаимодействовали  между собой и составляли единую среду, равномерно заполняющую всю  раннюю Вселенную. Общее расширение Вселенной постепенно охлаждало эту среду, и, когда температура упала до значения нескольких тысяч градусов, наступило время для формирования стабильных атомов. Так же в результате расширения первоначальное излучение стало куда менее интенсивным, но не пропало совсем.

Первое подтверждение  факта взрыва пришло в 1964 году, когда  американские радиоастрономы Р. Вильсон  и А. Пензиас обнаружили реликтовое электромагнитное излучение с температурой около 3° по шкале Кельвина (–270°С). Именно это открытие, неожиданное  для ученых, убедило их в том, что Большой взрыв действительно имел место, и поначалу Вселенная была очень горячей.