Происхождение галактик – все о космосе

История изучения галактик

Происхождение галактик - все о космосе

В 1610 году Галилео Галилей при исследовании Млечного Пути с помощью телескопа обнаружил, что Млечный Путь состоит из огромного числа слабых звёзд. В трактате 1755 года, основанном на работах Томаса Райта (англ.

Thomas Wright), Иммануил Кант предположил, что Галактика может быть вращающимся телом, которое состоит из огромного количества звёзд, удерживаемых гравитационными силами, сходными с теми, что действуют в Солнечной системе, но в бо́льших масштабах.

С точки наблюдения, расположенной внутри Галактики (в частности, в нашей Солнечной системе), получившийся диск будет виден на ночном небе как светлая полоса. Кант высказал и предположение, что некоторые из туманностей, видимых на ночном небе, могут быть отдельными галактиками.

Объект M31, галактика Андромеда. Рисунок Мессье

К концу XVIII столетия Шарль Мессье составил каталог, содержащий 109 ярких туманностей. С момента публикации каталога до 1924 года продолжались споры о природе этих туманностей.

Уильям Гершель высказал предположение, что туманности могут быть далёкими звёздными системами, аналогичными системе Млечного Пути. В 1785 году он попытался определить форму и размеры Млечного Пути и положения в нём Солнца, используя метод «черпаков» — подсчёта звёзд по разным направлениям.

В 1795 году, наблюдая планетарную туманность NGC 1514, он отчётливо увидел в её центре одиночную звезду, окружённую туманным веществом. Существование подлинных туманностей, таким образом, не подлежало сомнению, и не было необходимости думать, что все туманные пятна — далёкие звёздные системы[51].

В XIX веке считалось, что неразрешимые на звёзды туманности являются формирующимися планетными системами. А NGC 1514 была примером поздней стадии эволюции, где из первичной туманности уже сконденсировалась центральная звезда[51].

К середине XIX века Джон Гершель, сын Уильяма Гершеля, открыл ещё 5000 туманных объектов. Построенное на их основе распределение стало главным аргументом против предположения, что они являются далёкими «островными вселенными», подобными нашей системе Млечного Пути.

Было обнаружено, что существует «зона избегания» — область, в которой нет или почти нет подобных туманностей. Эта зона находилась близ плоскости Млечного Пути и была проинтерпретирована как связь туманностей с системой Млечного Пути.

Поглощение света, наиболее сильное в плоскости Галактики, было ещё неизвестно[51].

После постройки своего телескопа в 1845 году лорд Росс смог увидеть различия между эллиптическими и спиральными туманностями. В некоторых из этих туманностей он смог выделить и отдельные источники света.

Вращение Галактики вокруг ядра предсказано Марианом Ковальским[52], который в 1860 году в «Учёных записках Казанского университета» опубликовал статью с его математическим обоснованием, издание было переведено и на французский язык[53].

В 1865 году Уильям Хаггинс (англ. William Huggins) впервые получил спектр туманностей. Характер эмиссионных линии туманности Ориона явно говорил о её газовом составе, но спектр туманности Андромеды (M31 по каталогу Мессье) был непрерывный, как и у звёзд. Хаггинс заключил, что такой вид спектра M31 вызван высокой плотностью и непрозрачностью составляющего её газа.

В 1890 году Агнесса Клерк (англ. Agnes Mary Clerke) в книге о развитии астрономии в XIX веке писала: «Вопрос о том, являются ли туманности внешними галактиками, вряд ли заслуживает теперь обсуждения.

Прогресс исследований ответил на него.

Можно с уверенностью сказать, что ни один компетентный мыслитель перед лицом существующих фактов не будет утверждать, что хотя бы одна туманность может быть звёздной системой, сравнимой по размерам с Млечным Путём»[51].

Фотография M31, 1899 г.

В начале XX века Весто Слайфер (англ. Vesto Melvin Slipher) объяснил спектр туманности Андромеды отражением света центральной звезды (за которую он принял ядро галактики).

Такой вывод был сделан на основе фотографий, полученных Джеймсом Килером на 36-дюймовом рефлекторе. Было обнаружено 120 000 слабых туманностей. Спектр там, где его можно получить, был отражательным.

Как известно сейчас, это были спектры отражательных (в основном пылевых) туманностей вокруг звёзд Плеяд.

В 1910 году Джордж Ричи (англ. George Willis Ritchey) на 60-дюймовом телескопе обсерватории Маунт-Вилсон получил снимки, на которых было видно, что спиральные ветви больших туманностей усыпаны звездообразными объектами, но изображения многих из них были нерезкие, туманные. Это могли быть и компактные туманности, и звёздные скопления, и несколько слившихся изображений звёзд.

В 1912—1913 была открыта зависимость «период — светимость» для цефеид.

В 1918 году Эрнст Эпик[54] определил расстояние до туманности Андромеды и обнаружил, что она не может быть частью Млечного Пути. Хотя полученная им величина составляла 0,6 от современного значения, стало понятно, что Млечный Путь не является всей Вселенной.

В 1920 году состоялся «Великий спор» между Харлоу Шепли и Гебером Кертисом. Суть спора заключалась в измерении расстояния по цефеидам до Магеллановых Облаков и оценке размера Млечного Пути. Используя усовершенствованный вариант метода черпаков, Кертис сделал вывод о маленькой (диаметром в 15 килопарсек) сплюснутой галактике с Солнцем вблизи центра.

И также небольшом расстоянии до Магеллановых Облаков. Шепли, основываясь на подсчёте шаровых скоплений, дал совсем другую картину — плоский диск диаметром около 70 килопарсек с Солнцем, находящимся далеко от центра. Расстояние до Магеллановых Облаков было того же порядка. Итогом спора стал вывод о необходимости ещё одного независимого измерения.

В 1924 году на 100-дюймовом телескопе Эдвин Хаббл нашёл в туманности Андромеды 36 цефеид и измерил расстояния до неё, оно оказалось огромным (хотя и в 3 раза меньше современной величины). Это подтвердило, что туманность Андромеды — не часть Млечного Пути. Существование галактик было доказано, и «Великий спор» завершён[51].

Современная картина нашей Галактики появилась в 1930 году, когда Роберт Джулиус Трюмплер (англ. Robert Julius Trumpler) измерил эффект поглощения света, изучая распределение рассеянных звёздных скоплений, концентрирующихся в плоскости Галактики[55].

В 1936 году Хаббл построил классификацию галактик, которая используется по сей день и называется последовательностью Хаббла[56].

В 1944 году Хендрик Ван де Хюлст (Hendrik van de Hulst) предсказал существование радиоизлучения с длиной волны 21 см, излучаемого межзвёздным атомарным водородом, которое было обнаружено в 1951 году. Данное излучение, не поглощаемое пылью, позволило дополнительно изучить Галактику благодаря доплеровскому смещению.

Эти наблюдения привели к созданию модели с перемычкой в центре Галактики. Впоследствии прогресс радиотелескопов позволил отслеживать водород и в других галактиках. В 1970-х годах стало понятно, что общая видимая масса галактик (состоящая из массы звёзд и межзвёздного газа), не объясняет скорости вращения газа.

Это привело к выводу о существовании тёмной материи[42].

В конце 1940-х гг. А. А. Калиняк, В. И. Красовский и В. Б. Никонов получили первое изображение центра Галактики в инфракрасном диапазоне спектра[52][57].

Новые наблюдения, произведённые в начале 1990-х годов на космическом телескопе «Хаббл», показали, что тёмная материя в нашей Галактике не может состоять только из очень слабых и малых звёзд.

На нём также были получены изображения далёкого космоса, получившие названия Hubble Deep Field и Hubble Ultra Deep Field, показавшие очевидность того, что в нашей Вселенной существуют сотни миллиардов галактик[7].

Интересные факты о космосе.

На поверхности Венеры днём температура достигает 430 градусов по Цельсию.

– Луна всегда повёрнута к Земле одной стороной.

– Самая низкая температура на Луне -164 градуса Цельсия.

– Самая высокая температура на Луне +117 градусов Цельсия.

– Самая высокая гора на Луне имеет высоту 11 500 метров. Фото лунного ландшафта

– Луна в 400 раз меньше Солнца по размерам, но и в 400 раз ближе к нам.

– Луна совершает полный оборот вокруг Земли за 27.3 суток, Земля же оборачиваеться вокруг Солнца за 1 год (365.24 суток).

– Земля – единственная планета, названная не в честь бога.

– Чтобы солнечный свет достиг Земли требуется порядка 8,5 минут.

– Масса Юпитера в 318 раз больше массы Земли.

– Земля весит примерно 600 триллионов тонн.

– Магнитные полюсы Земли перемещаются.

– На Венере сутки длиннее года.

– Гора Максвелла на Венере достигает в высоту 11 км.

– Объём Cатурна превышает земной в 758 раз, но он настолько лёгкий, что если бы его удалось поместить в огромный аквариум с водой, то он стал бы в нём плавать.

– Число участников популярной компьютерной программы SETI@home, позволяющей любому пользователю сети Интернет участвовать в поиске внеземных цивилизаций, превысило 3 миллиона.

– Свет от звезды Денеб входящей в созвездие Лебедя луч света путешествовал к нам 800 лет.

– 7 февраля 2001 года с помощью орбитальной обсерватории SOHO было подробно отслежено падение одной из комет на Солнце.

– Церера – это первый открытый астероид. Он был обнаружен Джузеппе Пьяцци из Палермо, Сицилия, 1 января 1801 г.

– Церера – самый большой астероид, имеющий 940 км в диаметре.

– Человеческий глаз может видеть на всём ночном небе до 5 тысяч звёзд.

– Сегодня небо условно поделено на 88 участков – созвездий.

– Масса Солнца в 333 тыс. раз больше массы Земли.

– Солнце вращается вокруг центра нашей Галактики со скоростью ? 250 км/с.

– Солнцу нужно 200 млн. лет чтобы облететь вокруг центра Галактики.

– Свет от звезды Спика, в созвездии Девы – идет к нам 300 лет.

– Диаметр Солнца примерно в 109 раз превосходит диаметр нашей планеты.

– Солнце состоит в основном на 70% из водорода и 30 % из гелия.

– Солнце является одной из 200 млрд. звезд нашей Галактики.

– 7 января 1610 года Галилео Галилей впервые в истории человечества направил построенный им телескоп на небо.

– В 1671 г Исаак Ньютон представил на суд Королевского общества телескоп нового типа – рефлектор.

– Самый большой телескоп в Украине имеет диаметр 2,6 метра и расположен в КрАО.

– Ежегодно тонны межпланетной пыли достигают Земли.

– В 2006 году Плутон лишили звания планеты, назвав его карликовой планетой.

– В 2007 году исполняется 50 лет с момента запуска первого искусственного спутника Земли.

– Орбиты Меркурия и Венеры лежат внутри орбиты Земли, тогда как Плутон – самая крайняя планета Солнечной системы.

– Семь звёзд находятся в пределах 10 световых лет от нас, и ближайшая к нам – слабая спутница проксима Центавра из системы альфа Центавра.

– Солнечная система находится в одном из спиральных рукавов Млечного пути, состоящем из звёзд, газа и пыли.

– Местная группа включает в себя три спиральные галактики: галактику Андромеды (М31), Млечный Путь и М33.

– Местное сверхскопление галактик в Деве состоит примерно из 5 тысяч галактик, объединённых в несколько облаков.

– Во Вселенной насчитываются миллиарды галактик, образующих сгущения, слои и цепочки, разделённые пустым пространством.

– Атмосфера Марса на 95% состоит из углекислого газа.

– За последние 500 лет масса Земли увеличилась на миллиард тонн за счет космического вещества.

Читайте также:  Расплавы - все о космосе

– Каждые сутки на Землю падает порядка 200 тысяч метеоритов.

– Горы на Марсе достигают высоты 20-25 километров.

– Планета Уран видна с Земли невооруженным глазом.

Источник: http://stydopedia.ru/2×5651.html

Рождение и эволюция галактик

В ясную ночь вы можете наблюдать за полосой Млечного Пути в небе.

На протяжении тысячелетий астрономы смотрели на него с трепетом, медленно приближаясь к осознанию того, что наше Солнце – всего лишь одна из миллиардов звезд в Галактике.

С течением времени улучшались наши инструменты и методы, и мы пришли к пониманию, что сам Млечный Путь всего лишь одна из миллиардов галактик, составляющих Вселенную.

Благодаря теории относительности и открытию скорости света мы также поняли, что, когда мы смотрим сквозь пространство, мы смотрим назад во времени. Увидев объект в одном миллиарде световых лет от нас, мы знаем, что так он выглядел миллиард лет назад. Эффект машины времени позволил астрономам изучить эволюцию галактик.

Процесс формирования и развития галактик остается предметом интенсивного внимания и по-прежнему скрывает долю тайн.

Формирование галактик

Текущий научный консенсус заключается в том, что вся материя во Вселенной была создана примерно 13,8 миллиарда лет назад во время события, известного как Большой Взрыв. Изначально вся материя была сжата в очень маленький шарик с бесконечной плотностью и огромной температурой, называемый сингулярностью. Вдруг сингулярность начала расширяться. Так началась Вселенная.

После быстрого расширения и охлаждения все вещество было почти однородно распределено. В течение нескольких миллиардов лет более плотные участки Вселенной стали гравитационно притягиваться друг к другу. Поэтому они стали плотнее, образовав газовые облака и большие сгустки материи.

Спиральная галактика Messier 74, расположенная в 32 миллионах световых лет от нас, содержит около 100 миллиардов звезд.

Credit: NASA, ESA, and the Hubble Heritage (STScI/AURA)-ESA/Hubble Collaboration

Облака газообразного водорода внутри протогалактик претерпели гравитационный коллапс, чтобы стать первыми звездами.

Некоторые из этих ранних объектов были крошечными карликовыми галактиками, в то время как другие приняли привычную спиральную форму, как и наш Млечный Путь.

Галактические слияния

Однажды сформировавшись, эти галактики развивались в более крупные галактические структуры, называемые группами, скоплениями и сверхскоплениями. С течением времени, галактики притягивались друг к другу силой тяжести и объединялись. Результат этих слияний зависел от массы столкнувшихся галактик.

Малые галактики поглощаются крупными соседями, увеличивая их массу. Так Млечный Путь недавно слопал несколько карликовых галактик, превратив их в потоки звезд, которые вращаются вокруг галактического ядра. Но галактики сходного размера объединяются и становятся гигантскими эллиптическими галактиками.

Когда это происходит, тонкие спиральные структуры исчезают. Эллиптические галактики являются одними из крупнейших звездных объединений. Еще одним последствием этих слияний является то, что сверхмассивные черные дыры в их центрах становятся еще больше.

Столкновение двух спиральных галактик, которое если и не создаст одну огромную эллиптическую галактику, так уж точно изменит их стройные структуры. Credit: ESA/Hubble & NASA, Acknowledgement: Luca Limatola

Хотя не все слияния приводят к эллиптическим структурам, все они значительно изменяют строение объединенной галактики.

Во время слияний реальные столкновения звездных систем маловероятны, учитывая огромные расстояния между светилами. Однако, слияние может привести к гравитационным ударным волнам, которые способны спровоцировать образование новых звезд. Это то, что по прогнозам произойдет, когда Млечный Путь сольется с галактикой Андромеды через 4 миллиарда лет.

Смерть галактик

В конечном счете в галактиках перестают формироваться звезды, когда истощается запас холодного газа и пыли. Звездообразование замедляется в течение миллиардов лет, пока полностью не прекратится. Однако, продолжающиеся слияния гарантируют, что все новые и новые звезды, газ и пыль оседают в старых галактиках, тем самым продлевая их жизнь.

В настоящее время считается, что наша Галактика имеет почти полный запас водорода, и формирование звезд продолжится, пока он истощается.

Звезды, подобные Солнцу, могут просуществовать около 10 миллиардов лет, но самые маленькие красные карлики смогут жить несколько триллионов лет.

Благодаря наличию карликовых галактик и предстоящему слиянию с Андромедой Млечный Путь сможет существовать еще дольше.

В итоге все галактики во Вселенной со временем становятся гравитационно связанными друг с другом и объединяются в гигантские эллиптические галактики. Астрономы встречали подобные «ископаемые», хорошим примером которых является Messier 49, сверхмассивная эллиптическая галактика.

Эллиптическая галактика Messier 49. Credit: Siggi Kohlert

Эти галактики уже использовали все свои запасы газа для звездообразования, и все, что у них осталось, это небольшие долгоживущие звезды. В конце концов, звезды потухнут одна за другой.

После того, как наша Галактика сольется с Андромедой, она продолжит свой путь, чтобы слиться со всеми другими близлежащими галактиками в Местной группе. Мы можем ожидать, что эту сверхгалактику постигнет та же участь. Так, эволюция галактик происходит на протяжении миллиардов лет и продолжится в обозримом будущем.

Источник: https://in-space.ru/rozhdenie-i-evolyutsiya-galaktik/

Происхождение галактик во вселенной

Еще не так давно – примерно в середине 1990-х годов – существовала теория настолько красивая, что, по мнению астрономов, она просто обязана была быть правильной. Ученые дали ей довольно прозаичное название: теория ускорения ядра. Красота ее заключается в том, что в ней при помощи всего нескольких базовых принципов физики и химии объясняется каждая значимая особенность […]

Космические чудеса Именно в этом месте стандартная теория образования планет останавливается, преимущественно из-за того, что она очень хорошо подходит к случаю Солнечной системы: каменные планеты внутри, газовые гиганты снаружи. Однако в 1995 году, когда наблюдатели из Швейцарии доложили об открытии первой и безоговорочной экзопланеты на орбите вокруг подобной Солнцу звезды, стало понятно, что в стандартной […]

До 2000 года астрономы нашли 30 экзопланет; к концу 2008-го – 330. Затем НАСА запустило «Кеплер», который в течение следующих четырех лет искал экзопланеты в единственном клочке неба, где находится примерно 150 000 подобных Солнцу звезд. «Кеплер» определял планеты, измеряя легкие изменения в свете от звезды, возникающие тогда, когда перед ней проходит какой-либо объект. Такой […]

Отличные от других Самый большой сюрприз от «Кеплера» пришел из статистических сводок результатов.

Найденные на данный момент планеты можно распределить в три категории: горячие Юпитеры, гигантские планеты с идиосинкратическими орбитами и Суперземли.

Миры из третьей группы обычно находят в компактных системах из двух-четырех планет, они кружатся вокруг своих звезд на расстоянии от 0,006 до 1 […]

В последнее время космический телескоп Wide-field Infrared Survey Explorer (WISE), работающий в инфракрасном диапазоне, практически засыпает ученых огромным количеством собственных открытий. Астрономы за последнее время.

благодаря работе этого космического инфракрасного телескопа, смогли обнаружить порядка 2,5 миллионов черных дыр, соответствующих классу сверхмассивных черных звезд.

телескоп смог зарегистрировать большинство из обнаруженных им черных дыр во время того, […]

Приоритетная миссия NASA, которая сейчас находиться в процессе подготовки – это запуск на орбиту космического телескопа James Webb, который назначен на 2018 год.

На данный момент, подготовкой этого уникального астрономического инструмента к работе занимаются специалисты из центра NASA имени Годдарда.

В рамках новой концепции VNC/BigBENI, по созданию современных телескопов, был разработан новый комплекс массив зеркал […]

Пройден последний этап проверки зеркал установленных в космическом телескопе Jаmеs Wеbb (JWST). В настоящее время, зеркала этого телескопа закончили прохождение испытаний в криогенной камере.

По окончанию испытания, они были демонтированы со стенда глубокой заморозки Центра космических полетов имени Маршалла.

Проведение криогенных испытаний, является заключительным этапом тестирования полностью собранных сегментов вторичного и основного шестисегментного зеркала. Для […]

Благодаря длительным и кропотливым исследованиям канадских астрофизиков, удалось обнаружить целый «выводок» молодых и сверхмассивных звезд, которые, находятся в нашей галактике. В сравнительно небольшом космическом пространстве.

Ученые смогли зафиксировать нахождение более сотни тысяч формирующихся звезд. при чем, крайне интересен тот факт, что из общего числа формирующихся звезд, есть несколько сотен особо массивных «голубых звезд». Масса каждой […

]

Ученые, которые работают в космическом центре НАСА имени Годарда, сумели разработать новую технологию.

Эта технология сможет дать возможность выстроить на Луне большой телескоп, состоящий из лунных материалов: пыли и камней.

Как заявили ученые, они смогут построить это гигантский телескоп на спутнике Земли совершенно легко, потратив не большое количество денежных средств на транспортировку основного зеркала с […]

В современном мире, человечество значительно расширило собственные горизонты по поиску экзопланет. Это стало возможно благодаря использованию орбитальных телескопов, имеющих специфические возможности.

К примеру телескоп Kepler, за время своей работы, открыл 1 200 экзопланет, из которых 54 находятся в обитаемой зоне и по предположению ученых могут быть заселены жизнью.

Кроме того, благодаря прогрессу, ученые получают все […]

Источник: http://www.milkywaygalaxy.ru/galaktika/proiskhozhdenie-galaktik-vo-vselennojj/

Тайна происхождения галактических космических лучей

Сохрани ссылку в одной из сетей:

Тайна происхождения галактических космических лучей

М.И. Панасюк, профессор, д.ф.-м.н., директор НИИЯФ МГУ,

Д.М. Подорожный, к.ф.-м.н., руководитель проекта «НУКЛОН», НИИЯФ МГУ,

Л.Г.Свешникова, д.ф.-м.н., НИИЯФ МГУ

Немного истории

Существование проникающего излучения внеземного происхождения было открыто австрийским физиком Виктором Гессом в 1912 г. практически случайно. Ученый изучал ионизацию в газе, находящемся в закрытом сосуде. Предполагалось, что основная ионизация происходит от радиоактивного излучения земной поверхности.

Но при подъеме регистрирующей аппаратуры при помощи аэростата он с удивлением обнаружил, что скорость ионизации на высоте 5 км возросла в несколько раз по сравнению с уровнем моря. Открытие было интерпретировано так: из Космоса приходит излучение, легко проникающее через атмосферу и стенки сосуда и ионизирующее газ.

Это излучение позднее было названо космическими лучами (КЛ).

Фотографии с места запуска установки, на которой было открыто космическое излучение

Начиная с этого времени, сотни ученых пытались понять природу космического излучения, и в настоящее время известно уже очень много. Было показано, что космические лучи – это атомные ядра, приходящие равномерно со всех направлений (изотропно) из окружающего Землю пространства.

Самой интригующей особенностью этого излучения оказалось степенное распределение частиц по энергии I(E) ~ E-, простирающееся на много порядков по энергии от 106 до 1020 эВ (энергия частиц обычно измеряется в единицах электрон-вольт: 1 эВ = 1.6 10-12 эрг, часто будут встречаться единицы ГэВ=109 эВ и ТэВ=1012 эВ).

Ученым удалось установить, что, скорее всего, до энергии ~1018 эВ космические лучи имеют в основном Галактическое происхождение (галактические КЛ – ГКЛ), а при большей энергии начинают преобладать КЛ, приходящие на Землю из других Галактик.

Кроме того, оцененная плотность энергии КЛ в Галактике оказалась очень большой ~1 эВ/см3, что сравнимо с плотностью суммарного электромагнитного излучения звезд в Галактике, энергией теплового движения межзвездного газа и кинетической энергии его турбулентных движений и с плотностью энергии магнитного поля Галактики.

Это позволяет считать космические лучи важнейшей составляющей межзвездной среды Галактики, а установление источников КЛ и изучение процессов распространения их до Земли – одной из важнейших задач астрофизики.

Читайте также:  Знаменитое созвездие большого пса - все о космосе

Именно, исходя из энергетического баланса Галактики, были сделаны первые попытки объяснения происхождения ГКЛ. Такими наиболее вероятными объектами последние годы считались вспышки Сверхновых, вероятно, самые мощные источники энергии в нашей Галактике. Но, несмотря на длительную историю изучения ГКЛ, их происхождение, особенно в области высоких энергий, все же остается загадкой.

Многие вопросы не получили ответов.

Какие объекты и как ускоряют космические лучи до энергий, на много порядков превышающих энергии, которые могут получить частицы в грандиозных термоядерных топках – в недрах звезд? Существует ли единый механизм формирования потоков частиц или несколько различных механизмов, действующих в разных областях энергий? При каких энергиях начинают преобладать космические лучи внегалактического происхождения? Не объяснена до сих пор одна из загадок в спектре КЛ – наличие излома (резкого изменения степенного показателя спектра, часто называемого «коленом») при энергии ~31015 эВ, открытого еще в 1958 г. Множество гипотез было предложено для объяснения всего комплекса наблюдательных данных по ГКЛ, однако общая картина остается очень неясной и во многом противоречивой.

Отчасти нерешенность проблемы происхождения ГКЛ связана с тем, что эти частицы обладают электрическим зарядом и распространяются от источников до места регистрации не по прямой линии, а меняя свое первоначальное направление, отклоняясь в магнитных полях Земли, Солнца, Галактики.

Поэтому мы не можем регистрировать в околоземном пространстве ГКЛ низких энергий – они отражены магнитными полями Земли. Но и источник высокоэнергичных ГКЛ тоже не удается «увидеть» как мы видим звезду, первоначальное направление искажено магнитными полями Галактики.

По этой причине название «лучи» нельзя назвать удачным, так как поток частиц ГКЛ распространяется не по прямой линии.

Если мы изучаем свет от звезды, мы регистрируем поток фотонов довольно низких энергий ~1 эВ, но современная техника позволяет регистрировать фотоны и очень высоких энергий – более 1012 эВ (при высоких энергиях эти фотоны обычно называют гамма–квантами).

По законам ядерной физики гамма–кванты с энергиями более 1012 эВ = 1 ТэВ могут образовываться от заряженных частиц с энергией на порядок больше – 10131014 эВ при взаимодействии их с межзвездной средой, а это означает, что можно «увидеть» место, где ускоряются КЛ высоких энергий.

Наука, которая изучает Галактику в потоках высокоэнергичных гамма–квантов, получила название ТэВ–ной гамма–астрономии. Она возникла в 70-х годах прошлого века, и, как тогда казалось, сможет быстро решить проблему происхождения КЛ.

Но этого до сих пор не произошло, хотя было найдено несколько источников в Галактике (оболочек сверхновых и пульсаров), в которых образуются ТэВ–ные гамма–кванты.

Так увидел возможное место ускорения КЛ гамма-телескоп H.E.S.S (остаток Сверхновой J1713.7—3946)

После анализа данных с самого мощного в настоящее время гамма–телескопа Н.Е.S.S стало ясно, что проблема происхождения КЛ еще более интересна, чем предполагалось.

Например, в гамма–астрономии не видят источников высокоэнергичных (>1 ТэВ) гамма–квантов от всех близких остатков сверхновых, а лишь от небольшой части, причем источники гамма-квантов МэВ-ных (1 МэВ=106 эВ) и Тэв-ных энергий не совпадают (хотя спектр ГКЛ степенной и непрерывный), и разнообразие источников оказалось очень большим.

Остается добавить, что было обнаружено несколько не идентифицированных источников гамма–квантов очень высокой энергии, в том числе и в нашей Галактике.

Были обнаружены протяженные источники, находящиеся в направлении на центр Галактики, которые излучают высокоэнергичные гамма–кванты и не видны ни в оптическом свете, ни в рентгеновском диапазоне, авторы назвали их «темными ускорителями». Все это не очень укладывается в схему, что только сверхновые являются основными ускорителями КЛ в Галактике.

История изучения ГКЛ показывает, что только новые эксперименты шаг за шагом, установка за установкой накапливают крупицы знаний о космических лучах.

Очень может быть, что загадка происхождения космических лучей потому и остается загадкой, что мы, как выяснилось в последние 10 лет, практически ничего не знаем об основных составляющих материи и энергии во Вселенной (темная материя и темная энергия).

В том числе и в нашей Галактике масса темной материи во много раз превосходит известную нам материю.

Эксперимент НУКЛОН, направленный на измерение спектров КЛ в области, непосредственно примыкающей к «колену» в спектре ГКЛ – один из таких экспериментов.

Ниже будет показано, что зависимость интенсивности частиц космического излучения от энергии (энергетический спектр КЛ) и распределение КЛ по заряду и массе ядра (химический состав) содержат существенную информацию об источниках КЛ, о механизмах ускорения и распространения КЛ в Галактике.

Суммарный энергетический спектр ГКЛ

При изучении ГКЛ ученые столкнулись с двумя основными методическими сложностями:

  1. Поверхности земли, даже поверхности самых высоких гор, первичный поток ГКЛ не достигает: по мере вхождения в плотные слои атмосферы происходят многочисленные взаимодействия частиц c ядрами атомов воздуха. Поэтому изучение ГКЛ «прямыми» методами (методами, в которых измеряется энергия и заряд первичной частицы) можно только за пределами атмосферы при помощи космических аппаратов или высотных аэростатов.

  2. Интенсивность КЛ резко падает с ростом энергии по закону I~Е-2.7 до энергии Е~31015 эВ и по закону I~Е-3.1 после этой энергии. По этой причине для изучения частиц все более высоких энергий требуется вынос за пределы атмосферы на длительное время приборов с большой апертурой.

    На сегодняшний день достижимые с точки зрения возможностей космических аппаратов энергии КЛ «прямыми» методами оказываются менее 1015 эВ. Поэтому представление о высокоэнергичной части спектра КЛ получено «косвенными» методами, прежде всего методом широких атмосферных ливней (ШАЛ).

    Суть метода состоит в регистрации ливня вторичных частиц, образующихся при вхождении в атмосферу первичной частицы, благодаря многочисленным ядерным и электромагнитным взаимодействиям быстрых частиц ливня с ядрами и электронами атомов атмосферы. Каждый ШАЛ имеет свои особенности по составу частиц, их количеству, их пространственному распределению и т.п.

    Задача исследователей состоит в том, чтобы по измеряемым параметрам вторичных частиц ШАЛ произвести «реконструкцию» события, т.е. от параметров ШАЛ перейти к параметрам первичной частицы.

Если «прямыми» методами можно пытаться достичь энергии 1015 эВ, то пороговой областью метода ШАЛ является энергия несколько единиц на 1014 эВ, а на большинстве установок – более 1015 эВ, поскольку методика ШАЛ требует развитого каскада с большой суммарной энергией вторичных частиц. Таким образом, область спектра КЛ в районе колена является еще и границей применимости разных методов. Сопоставление данных полученных «прямыми» и «косвенными» методами позволит построить суммарный энергетический спектр КЛ.

Так выглядит спектр КЛ в двойном логарифмическом масштабе.

Как рождаются галактические космические лучи

Уже более полувека строятся различные гипотезы, где рождаются и как ускоряются космические лучи до столь высоких энергий, ведь лучшие лабораторные ускорители на земле разгоняют частицы только до энергии порядка 1012 эВ.

Как было сказано выше, первые попытки объяснения происхождения КЛ были основаны именно на энергетических оценках.

Прежде всего, необходимо было найти астрономические объекты, которые по мощности выделяемой энергии могли бы быть ответственны за полную энергию КЛ, аккумулированную в настоящее время в Галактике, и поддерживающими более или менее постоянную во времени плотность КЛ. Такими объектами могут быть вспышки Сверхновых (SN).

Еще старинные летописи и хроники сообщают, что изредка на небе внезапно появлялись звезды исключительно большой яркости.

Они быстро увеличивали яркость, а затем медленно, в течение нескольких месяцев угасали и переставали быть видимыми. Вблизи максимума блеска этих звезд они были видны даже днем.

Наиболее яркими были вспышки в 1006 и 1054 годах, сведения о которых содержатся в китайских и японских трактатах.

В
1572 году такая звезда вспыхнула в созвездии Кассиопеи и наблюдалась выдающимся астрономом Тихо Браге, а в 1604 году подобную вспышку в созвездии Змееносца наблюдал Иоганн Кеплер.

С тех пор, за четыре столетия «телескопической» эры в астрономии подобных вспышек в нашем секторе Галактики не наблюдалось. Однако с развитием наблюдательной астрономии ученые получили возможность обнаруживать вспышки Сверхновых в других Галактиках.

И сейчас уже достаточно хорошо известна как частота взрывов SN, так и детали взрывов. Вспышка SN в 1987 г., произошедшая недалеко от нашей Галактики в большом Магеллановым облаке, уже была встречена в полном астрономическом вооружении.

От нее даже зарегистрирована вспышка ожидаемого нейтринного излучения. На рисунке, показано, как эта звезда выглядела до и после взрыва.

Знаменитая Сверхновая 1987 г. до (справа) и после (слева) вспышки.

Вспышка Сверхновой – это не рождение, а конец эволюции массивной звезды с массой, в 810 раз превышающей массу Солнца.

Энергия взрыва SN, передающаяся в оболочку, сбрасываемую во время взрыва, в настоящее время оценивается как 1051 эрг, но не исключено, что существуют и в десятки раз более энергичные взрывы, они получили название Гиперновых.

Освободившейся при вспышке сверхновой энергии более чем достаточно, чтобы полностью рассеять в пространстве вещество звезды.

После взрыва звезда перестает существовать в прежнем виде, и если считать, что несколько процентов этой кинетической энергии пойдет на ускорение ядер и электронов, то при частоте взрывов SN раз в 30-50 лет сверхновые могут обеспечить наблюдаемую плотность энергии КЛ в нашей Галактике. Именно эта оценка явилось одним из оснований, позволивших в течение последних десятков лет рассматривать SN как основной источник КЛ в Галактике.

Сброшенная оболочка Сверхновой II типа, взорвавшейся в 1054 г. Крабовидная туманность.

Сбрасываемая с огромной скоростью оболочка звезды называется остатком сверхновой – SNR (R означает по-английски остаток – remnant).

В большей части сверхновых после взрыва еще остается и компактный остаток – вращающаяся нейтронная звезда, которая может регистрироваться астрономами как пульсар, излучающий радиоволны с периодичностью от долей секунды до 2-3 секунд. Например, в центре Крабовидной туманности, изображенной выше, находится пульсар. А в сверхновой 1987 пульсар не виден.

Ученые предполагают, что если взрывается очень массивная звезда с массой более 20 масс Солнца, то в центре может образоваться не нейтронная звезда, а черная дыра.

Во многих работах было показано, что частицы очень эффективно могут ускоряться в магнитосферах пульсаров, поскольку быстро вращающаяся, с сильным магнитным полем нейтронная звезда генерирует колоссальную разницу потенциалов на поверхности и в магнитосфере, что создает условия для ускорения частиц до энергий 1012-1013 эВ. Но все же наиболее вероятным механизмом ускорения КЛ считается ускорение на фронтах ударных волн в оболочках сверхновых.

Расширяющаяся оболочка собирает и сжимает окружающий ее газ. Возникает ударная волна, как при взрыве атомной бомбы, только в миллиарды и миллиарды раз сильнее.

По современным представлениям, наиболее вероятным механизмом ускорения ГКЛ от тепловых до энергий вплоть до 1015 эВ является статистическое ускорение частиц на фронтах ударных волн SNR. Суть этого механизма (предложенного американским физиком Э.

Ферми) состоит в том, что при многократных столкновениях заряженной частицы c движущимися намагниченными облаками, энергия частицы в среднем при каждом столкновении возрастает.

Если эти магнитные неоднородности движутся в одном направлении, то возрастание энергии уже происходит столь быстро, что оказывается достаточным для объяснения энергетических спектров ГКЛ. Именно такая ситуация, похоже, складывается около фронта ударной волны SN, где существуют магнитные неоднородности (завихрения плазмы) по обе стороны фронта.

Частицы межзвездного вещества, попавшие в процесс ускорения, под воздействием магнитного поля множество раз пересекают фронт ударной волны, с каждым пересечением набирая дополнительную энергию. Процесс статистический, поэтому с некоторой вероятностью частицы могут и покидать область ускорения в каждом цикле. Это объяснение тому, что число частиц маленьких энергий гораздо больше, чем больших, отсюда и возникает степенное распределение по энергии как.

Читайте также:  Космические технологии в быту - все о космосе

На рисунке изображен вырезанный конус ударной волны, из которой как космические пули вылетают космические лучи.

Однако частицы при очень высоких энергиях уже с трудом разворачиваются магнитным полем, и когда радиус траектории разворота заряженной частицы под действием определенного магнитного поля становится сравнимым с радиусом ударной волны, частицы окончательно покидают ее и перестают ускоряться. Это является естественной границей ускорения.

В последние годы была предложена идея, что космические лучи, колеблющиеся около фронта ударной волны, как поток заряженных частиц, сами могут генерировать дополнительные магнитные поля, в десятки и сотни раз превышающие среднее магнитное поле в среде. И такие поля на кромке расширяющихся оболочек сверхновых действительно наблюдаются астрономами.

Благодаря этому эффекту частицы могут удерживаться около фронта ударной волны, даже обладая энергией 1015 эВ, т.е. достигнув энергии, близкой к области колена в спектре ГКЛ. Вопрос ускорения ГКЛ до более высоких энергий остается открытым и вызывает острые дискуссии.

Авторы иллюстрации механизма ускорения КЛ, сотрудники Центра космических полетов им. Годдарда (НАСА) назвали вылетающие частицы «космическими пулями» вылетающими во все стороны от ударной волны SN.

Источник: https://gigabaza.ru/doc/102452.html

Происхождение галактик и звёзд. Строение нашей Галактики. Эволюция звёзд (стр. 1 из 2)

. Синтез химических элементов в звёздах. Сверхновые и квазары

Существует точка зрения, что с самого начала протовещество, из которого впоследствии образовалась Вселенная, с гигантской скоростью начало расширяться. На начальной стадии это плотное вещество разлетелось, разбегалось во всех направлениях и представляло собой однородную бурлящую смесь неустойчивых, постоянно распадающихся при столкновении частиц.

Остывая и взаимодействуя на протяжении миллионов лет, вся эта масса рассеянного в пространстве вещества концентрировалась в большие и малые газовые образования, которые в течение сотен миллионов лет, сближаясь и сливаясь, превращались в громадные комплексы.

В них в свою очередь возникали более плотные участки – там в последствии и образовались звёзды и даже целые галактики.

Окружающие Солнце звёзды и само Солнце составляют малую часть гигантского скопления звёзд и туманностей, которую называют Галактикой. Галактика имеет довольно сложную структуру.

В первом, самом грубом, приближении можно считать, что звёзды и туманности, из которых она состоит, заполняют объём, имеющий форму сильно сжатого эллипсоида вращения. На самом деле всё обстоит гораздо сложнее, и нарисованная картина является слишком грубой.

В действительности разные типы звёзд по-разному концентрируется к центру Галактики и к её «экваториальной плоскости». Например, газовые туманности, а также очень горячие массивные звёзды сильно концентрируются к экваториальной плоскости Галактики.

С другой стороны, звёзды и звёздные скопления некоторых типов почти никакой концентрации к экваториальной плоскости не обнаруживают, но зато характеризуются огромной концентрацией в центре. Существенная часть звёзд в Галактике находится в гигантском диске диаметром примерно 100 тыс.

и толщиной около 1500 световых лет. В этом диске насчитывается более сотни миллиардов звёзд самых различных видов. Наше Солнце – одна из таких звёзд, находящихся на периферии Галактики вблизи её экваториальной плоскости. Галактика содержит и структурные детали гораздо больших масштабов.

Звёзды и туманности в пределах Галактики движутся довольно сложным образом. Прежде всего они участвуют во вращении Галактики вокруг оси, перпендикулярной её экваториальной плоскости. Различные участки Галактики имеют различные периоды вращения. Звёзды очень сильно удалены друг от друга. (одно столкновение в миллион лет). Число звёзд в Галактике порядка триллиона.

Самые многочисленные из них – карлики с массами, примерно в 10 раз меньшими массы Солнца. Существуют также двойные и кратные звёзды, а также звёздные скопления –группы звёзд, связанных силами тяготения и движущиеся в пространстве как единое целое. В различных созвездиях обнаруживаются туманные пятна, которые в основном состоят из газа и пыли – туманности .

Интересна небольшая диффузная туманность, названная Крабовидной. Это источник не только оптического излучения, но и радиоизлучения, рентгеновских и гамма-квантов. В центре Крабовидной туманности находится источник импульсного электромагнитного излучения – пульсар . Но даже там, где не видно ни звёзд, ни туманностей, пространство не пусто.

Оно заполнено очень разреженным межзвёздным газом и межзвёздной пылью. В межзвёздном пространстве существуют различные поля (гравитационное и магнитное). Галактику можно представить очень упрощённо в виде диска с ядром в центре и огромными спиральными ветвями, в основном содержащими наиболее горячие и яркие звёзды и массивные газовые облака.

Диск со спиральными ветвями образует основу плоской подсистемы Галактики. А объекты, концентрирующиеся к ядру Галактики и лишь частично проникающие в диски, относятся к сферической подсистеме. Сама Галактика вращается вокруг своей центральной области. В центре Галактики сосредоточена небольшая часть звёзд.

Поэтому при вращении Галактики с увеличением расстояния от центра изменяются и угловая (убывает), и линейные(возрастает) скорости вращения Галактики.

https://www.youtube.com/watch?v=alcTYAbmbX4

Галактики бывают эллиптические (эллипсоиды с разной степенью сжатости (красные гиганты)), спиральные (наша Галактика, Туманность Андромеды), неправильные (не имеют центральных ядер, в них не обнаружены закономерности).

В ходе структурообразования во Вселенной возникли звёзды, эти ядерные «костры», горение которых поддерживается протекающими в их недрах реакциями нуклеосинтеза. в отличие от первичного он получил название звёздного нуклеосинтеза .

Разнообразие типов звёзд и соответственно реакций звёздного нуклеосинтеза, изменение условий протекания таких реакций со временем создало ситуацию, коренным образом отличную от существовавшей в эпоху первичного нуклеосинтеза.

отсюда возникло убеждение, что элементы тяжелее гелия рождались (и продолжают рождаться) в недрах звёзд, что они – зола и шлаки звёздных костров. Как же звёздный нуклеосинтез сделал то, что оказалось не под силу первичному нуклеосинтезу – преодолел «щели масс»?

Идея механизма такого преодоления впервые была высказана английским астрофизиком Ф.Хойлом (р.1915).

Хойл высказал идею: на определённых стадиях развития некоторых типов звёзд появляются условия для объединения трёх ядер гелия (трёх частиц) в ядро углерода 12 С.

такая реакция решает проблему преодоления «щели масс», оставляя позади сразу оба барьера. Далее открываются возможности образования ещё более тяжёлых, чем углерод, ядер неона, кислорода, кремния и др.

Согласно современным представлениям, присутствующие в межзвёздной среде тяжёлые элементы появились в звёздах типа красных гигантов. Жёлтые карлики типа нашего Солнца поддерживают своё состояние главным образом в результате ядерных реакций, названных водородным циклом.

Так что звёзды этого типа не создают элементов тяжелее гелия. Красные гиганты обладают массой, в несколько раз превышающей солнечную, водород в них выгорает очень быстро.

В центре, где сосредоточен гелий, их температура достигает нескольких сотен миллионов градусов, что оказывается достаточным для протекания реакций углеродного цикла. В этом цикле три ядра гелия соединяются и образуют возбуждённое ядро углерода.

Оно в свою очередь может присоединить ещё одно ядро гелия и образовать ядро кислорода, затем неона и так вплоть до кремния. Выгорающее ядро звезды сжимается и температура в нём поднимается до 3-10 млрд. градусов. В таких условиях реакции объединения продолжаются вплоть до образования ядер железа.

С 1963 года начались открытия звёздоподобных источников радиоизлучения – квазаров . Сейчас их открыто более тысячи. Самый яркий квазар, имеющий обозначение 3С 273, виден как звезда. В действительности этот квазар, находящийся от нас на расстоянии около 3 млрд. Световых лет, излучает больше энергии в оптическом диапозоне, чем самые яркие галактики.

Этот квазар оказался одним из самых мощных источников рентгеновского излучения. Блеск квазара не остаётся постоянным, что позволяет оценить размеры квазара. Они превышают размеры одного светового года. Следовательно, квазар больше обычных звёзд, но гораздо меньше нашей галактики. Квазары не похожи на обычные звёзды своими массами.

Массы квазаров достигают многих миллионов солнечных масс.

Происхождение и состав Солнечной системы. Исследования планет космическими аппаратами.

Два коренных вопроса планетологии: является ли образование планетных систем во Вселенной правилом или единственная известная человечеству Солнечная система появилась в результате редчайшего совпадения обстоятельств, что делает её уникальной? Каков механизм образования Солнечной системы? Доказательных ответов на эти вопросы пока нет.

Современная научная мысль решительно отвергает допущение о случайном образовании и исключительном характере события такой значимости, как возникновение сложнейшего сообщества звёзд и группы связанных с ними планет.

В пользу такой точки зрения говорят известные на сегодняшний день факты, полученные при исследовании звёзд в близких к Солнцу галактических окрестностях.

У большинства астрономов на этот счёт сложилось вполне определённое мнение: современная астрономия даёт серьёзные аргументы в пользу наличия планетных систем у многих звёзд, в пользу их типичности, а не исключительности.

За последние 50 лет регулярно поступают сведения, которые истолковываются как аргументы в пользу наличия планетных тел или предпосылок для их образования около большого числа звёзд, находящихся в радиусе примерно 20 парсек от Солнца.

Особенно богатая информация начала поступать после запусков астрономических спутников, оснащённых разнообразными исследовательскими приборами высокой точности.

Заметно усовершенствовались и наземные средства наблюдения, развиты принципиально новые методы обработки получаемых с их помощью данных.

Начиная с 1983 года американский спутник ИРАС, заслуги которого отмечались в связи с его вкладом в «горячую» модель образования галактик, обнаружил примерно у 10% звёзд, находящихся в окрестностях Солнца, избыточное инфракрасное излучение. По мнению специалистов, оно связано с присутствием вокруг таких звёзд пылевых дисков, содержащих мелкие твёрдые частицы. Детальные наземные исследования этих звёзд подтвердили такие предположения.

О механизме формирования планет, в частности в Солнечной системе, также нет общепризнанных заключений. Солнечная система, по оценкам, образовалась примерно 5 млрд. лет назад, причём Солнце – звезда второго (или ещё более позднего) поколения.

Так что Солнечная система возникла на продуктах жизнедеятельности звёзд предыдущих поколений, скапливавшихся в газопылевых облаках. Это обстоятельство даёт основание назвать Солнечную систему малой частью звёздной пыли.

О происхождении Солнечной системы и её исторического эволюции наука знает меньше, чем необходимо для построения теории планетообразования.

От первых научных гипотез, выдвинутых примерно 250 лет назад, до наших дней предложено большое число различных моделей происхождения и развития Солнечной системы, но ни одна из них не удостоилась перевода в ранг общепризнанной теории. Большинство из выдвигавшихся ранее гипотез сегодня представляет лишь исторический интерес.

Источник: http://MirZnanii.com/a/312406/proiskhozhdenie-galaktik-i-zvyezd-stroenie-nashey-galaktiki-evolyutsiya-zvyezd

Ссылка на основную публикацию