Галактики — урок по астрономия

1. Островни вселени

Още през 1755 г. Имануел Кант предполага, че мъгливите петънца по небето са далечни „островни вселени“, подобни на нашия . Векове наред не може да се докаже. На 26 април 1920 г. в Голямия дебат Харлоу Шапли защитава тезата, че спиралните мъглявини са части от Млечния път, а Хебър Къртис – че са отделни галактики. Спорът е решен през 1925 г., когато Хъбъл измерва разстоянието до Андромеда с (виж „Променливи звезди“). Вселената изведнъж става безкрайно по-голяма.

О

Галактика

Гравитационно свързана система от звезди, газ, прах и тъмна материя. Галактиките са от джуджести, с няколко милиона звезди и размер стотици парсеки, до гигантски елиптични, със стотици трилиони звезди и размер стотици килопарсеки. В наблюдаемата Вселена има стотици милиарди галактики – вероятно до два трилиона, ако броим и най-слабите.

2. Видовете галактики

Хъбъл разделя галактиките на елиптични (E), лещовидни (S0), спирални (S), спирални с пречка (SB) и неправилни (Irr). Елиптичните се номерират според това колко са сплескани на небето.

О

Тип на елиптичните галактики

En, където

n = 10 \cdot (1 - b / a)

,

a

и

b

са голямата и малката ос на видимия образ. E0 е кръгла, E7 е най-сплесканата. Видимата сплесканост зависи и от това под какъв ъгъл гледаме галактиката, а не само от истинската ѝ форма.

Камертонът на Хъбъл

През 1926 г. Хъбъл подрежда галактиките по формата им. Щракнете върху тип. Синьо – млади звезди, жълто-оранжево – стари, розово – области, в които се раждат звезди.

Наклон към нас: 0°

Такава е нашата Галактика: пречката ѝ се простира на ~5 kpc от центъра (виж „Млечният път“). Пречките насочват газа към центъра и хранят черната дупка.

Съставът на галактиките зависи от средата им. В разредените области повечето големи галактики са спирални, а в центровете на куповете преобладават елиптичните и лещовидните. Сблъсъците и горещият газ в куповете отнемат газа на спиралните – без газ звездообразуването спира, сините млади звезди умират и галактиката „почервенява“.

3. Колко тежи една галактика

Звездите и газът в спиралния диск обикалят около центъра почти по кръгови орбити. Скоростта им се мери по – на оптичните линии или на радиолинията на неутралния водород при 21 cm, която се вижда далеч извън звездния диск. През 70-те години Вера Рубин и Кент Форд измерват така Андромеда и откриват нещо странно.

Т

Маса от кривата на въртене

За звезда по кръгова орбита с радиус

r

гравитацията дава центростремителното ускорение:

\frac{v^2}{r} = \frac{G M(r)}{r^2}

, откъдето

M(r) = v^2 r / G

.

M(r)

е масата вътре в орбитата. Ако масата беше съсредоточена в центъра, скоростта навън би намалявала като

v \propto \frac{1}{\sqrt{r}}

(както при планетите).

Пример

Слънцето обикаля центъра на Млечния път на $r = 8{,}2\ \mathrm{kpc}$ със скорост $230\ \mathrm{km/s}$ . Колко е масата вътре в орбитата му?

$G = 4{,}3 \cdot 10^{-6}\ \mathrm{kpc} \cdot (\mathrm{km/s})^2 / M_{\odot}$
$M = v^2 r / G = 230^2 \cdot 8{,}2 / 4{,}3 \cdot 10^{-6} \approx 52\,900 \cdot 8{,}2 / 4{,}3 \cdot 10^{-6} \approx 1{,}0 \cdot 10^{11}\,M_{\odot}$
Сто милиарда слънчеви маси – само вътре в слънчевата орбита.

Кривата на въртене – следа от невидима маса

Точките са измерените скорости на газа в галактика като Млечния път. Червената линия е какво би трябвало да очакваме само от видимите звезди и газ. Добавете тъмен ореол, докато моделът пасне.

Тъмен ореол: 0% от нужния

Радиус за масата: 20 kpc

v при 20 kpc

115 km/s

Маса в този радиус: v²r / G

6,1 · 10¹⁰ M☉

От тях видима

100%

Ако почти цялата маса беше в ярката централна част, скоростите навън щяха да намаляват като 1/√r – както при планетите (червената линия). Вместо това кривата остава плоска чак до края на видимия диск. Значи масата продължава да расте с радиуса – галактиката е потопена в огромен ореол от тъмна материя, който е 5–10 пъти по-масивен от всичко видимо (виж „Тъмна материя“).

4. Активни галактики и квазари

През 1963 г. Маартен Шмит разбира странния на „звездата“ 3C 273: линиите на водорода са изместени с 16% към червеното. Това означава разстояние от около 2 милиарда – и , стотици пъти по-голяма от тази на цяла галактика, излъчвана от област, по-малка от Слънчевата система (блясъкът ѝ се мени за дни). Квазарите (от „квазизвездни“ обекти) се захранват от вещество, падащо към свръхмасивна .

Т

Захранване от акреция

Веществото, което пада към черна дупка, се нагрява в акреционния диск и излъчва до

\eta \approx 10\%

от

mc^2

– 15 пъти повече от ядрения синтез. Светимостта е

L = \eta \cdot \dot M \cdot c^2

, където

\dot M

е масата, падаща за секунда. Максималната светимост, при която налягането на светлината не спира падането, е светимостта на Едингтън:

L_{\mathrm{Edd}} \approx 1{,}26 \cdot 10^{31}\ \mathrm{W} \cdot (M / M_{\odot})

.

Пример

Квазарът 3C 273 има видима величина 12,9 и е на ~750 Mpc. Каква е светимостта му и колко вещество поглъща черната дупка?

$M = m - 5 \lg (d / 10\ \mathrm{pc}) = 12{,}9 - 5 \cdot \lg (7{,}5 \cdot 10^7) \approx 12{,}9 - 39{,}4 = -26{,}5$
$L \approx L_{\odot} \cdot 10^{0{,}4 \cdot (4{,}83 + 26{,}5)} \approx 3 \cdot 10^{12}\,L_{\odot} \approx 1{,}2 \cdot 10^{39}\ \mathrm{W}$ – сто пъти колкото Млечния път
$\dot M = \frac{L}{\eta c^2} = \frac{1{,}2 \cdot 10^{39}}{0{,}1 \cdot 9 \cdot 10^{16}} \approx 1{,}3 \cdot 10^{23}\ \mathrm{kg/s} \approx 2$ слънчеви маси годишно

Едно чудовище, много лица

Квазари, блазари, сейфертови и радиогалактики са едно и също: свръхмасивна черна дупка с акреционен диск, прашен тор и (понякога) джетове. Различното е от кой ъгъл гледаме. Завъртете наблюдателя.

Ъгъл между зрителния лъч и джета: 30°

има мощни джетове (радиоярък)

Виждаме директно горещия акреционен диск и облаците близо до черната дупка. Те обикалят с хиляди km/s и линиите им са широки – доплеровото разширение издава скоростта, а оттам и масата на черната дупка.

Днес знаем, че почти всяка голяма галактика има свръхмасивна черна дупка в центъра, а масата ѝ е около 0,2% от масата на издутината. Галактиката и черната дупка растат заедно: когато дупката „яде“, мощното ѝ излъчване и джетовете нагряват и издухват газа и могат да спрат раждането на звезди в цялата галактика.

5. Сблъсъци и купове

Разстоянията между галактиките са само 20–50 пъти по-големи от размерите им, затова те често се сблъскват. Звездите практически не се удрят, но гравитацията изтегля опашки и мостове, а газът се сгъстява и в него лумват милиони нови звезди.

Сблъсък на галактики

Две галактики минават една покрай друга. Всяка точка е звезда, която усеща привличането на двете ядра. Звездите почти никога не се удрят – разстоянията между тях са огромни, – но гравитацията пренарежда цели галактики.

Когато дисковете се въртят в същата посока, в която галактиките минават една покрай друга, звездите от външните им части дълго „яздят“ заедно с приливната сила и се изтеглят в дълги опашки и мост между галактиките – като в Антените (NGC 4038/4039).

Пример

Андромеда е на $765\ \mathrm{kpc}$ и се приближава към нас със $110\ \mathrm{km/s}$ . За колко време би дошла, ако скоростта ѝ не се променяше?

$d = 765\ \mathrm{kpc} \approx 2{,}36 \cdot 10^{22}\ \mathrm{m}$ ; $v = 1{,}1 \cdot 10^5\ \mathrm{m/s}$
$t = d / v \approx 2{,}1 \cdot 10^{17}\ \mathrm{s} \approx 6{,}8$ млрд. години
Гравитацията ще я ускори, затова първата близка среща се очаква по-рано – след ~4–5 млрд. години. Но дали ще има сблъсък, зависи от страничната ѝ скорост, която е трудна за измерване. Анализ от 2025 г. дава ~50% шанс за сливане през следващите 10 млрд. години.

🏘️ Местната група

Над 80 галактики в сфера с диаметър ~3 Mpc. Доминират Андромеда и Млечният път, следвани от M33. Повечето членове са малки джуджести галактики, обикалящи около големите – като Магелановите облаци.

🏙️ Купове галактики

Хиляди галактики, свързани гравитационно. Куповете Дева (16,5 Mpc) и Кома (100 Mpc) съдържат главно елиптични галактики. Между галактиките има горещ газ от 10–100 млн. K, който свети в рентгеновия диапазон и е по-масивен от всички звезди в купа.

🌌 Ланиакея

През 2014 г. е картографиран свръхкупът, в който живеем – около 100 000 галактики в област от ~160 Mpc. Името на хавайски означава „необятно небе“. Галактиките в него „текат“ към обща гравитационна вдлъбнатина – Великия атрактор.

🕸️ Космическата мрежа

В най-голям мащаб галактиките образуват нишки и стени около огромни празнини – като пяна. Тази структура е израснала от мънички колебания на плътността в ранната Вселена (виж „Големият взрив“ и „Тъмна материя“).

6. 🎯 Бърз тест

1 / 7

✓ 0

Какво доказа Хъбъл през 1925 г.?

Избери отговор (или натисни 1–4)

7. 📝 Задачи за упражнение

0 / 0

Ниво А· Областен кръг

Ниво В· Национален кръг

Ниво С· Международна олимпиада

8. Обобщение

✓ Галактиките са „островни вселени“ – доказано от Хъбъл през 1925 г.; има стотици милиарди
✓ Камертонът на Хъбъл: E0–E7, S0, Sa–Sc, SBa–SBc, Irr; En: $n = 10(1 - \frac{b}{a})$
✓ Елиптичните – стари, червени, без газ; спиралните – с газ, прах и млади звезди
✓ Маса от въртенето: $M(r) = v^2 r / G$ ; плоските криви издават
✓ Активни ядра: акреция към свръхмасивна черна дупка, $\eta \approx 10\%$ , $L_{\mathrm{Edd}} \approx 1{,}26 \cdot 10^{31}\ \mathrm{W} \cdot \frac{M}{M_{\odot}}$
✓ Единен модел: квазар, сейфертова галактика, радиогалактика и блазар се различават по ъгъла на зрение
✓ Галактиките се сблъскват и сливат; групи → купове → свръхкупове → космическа мрежа

💡Интересен факт

Андромеда е най-далечният обект, видим с просто око – светлината ѝ е тръгнала преди 2,5 млн. години, когато на Земята още нямало хора. На тъмно небе тя е мъгливо петно, а ако очите ни бяха по-чувствителни, щяхме да я виждаме шест пъти по-широка от пълната Луна. А най-далечните галактики, открити от JWST, са с над 14: виждаме ги такива, каквито са били по-малко от 300 млн. години след .