Мыслящая Вселенная - Мизун Юрий Гаврилович - Страница 20

НАША ГАЛАКТИКА

Многие из нас наблюдали на небе Млечный Путь — пересекающую звездное небо неярко светящуюся полосу. Он кажется нам где-то там, далеко. На самом деле наша планета находится внутри этого семейства звезд. Млечный Путь — это наша Галактика.

Первым из астрономов нашего времени, кто понял, что Млечный Путь не просто большое скопление звезд, а единая звездная система, был английский астроном Уильям Гершель (1738–1822). С помощью изготовленных им телескопов он проводил систематические обозрения звездного неба, исследовал звездные скопления, двойные звезды и туманности. Обобщив полученные данные, ученый убедился в том, что на небе можно наметить большой круг, который рассекает все небо на две равные части таким образом, что если приближаться к нему с любой стороны, то число звезд, которые попадают в поле зрения телескопа, неуклонно возрастает, а на самом круге число звезд становится наибольшим. Этот круг был назван галактическим экватором. Именно вдоль этого круга — галактического экватора стелется Млечный Путь. Эта светящаяся полоса звезд опоясывает небо.

Гершель пришел к выводу, что семейство звезд — Млечный Путь представляет собой диск, своего рода толстый блин, внутри которого находится и Земля. Однако доказательство этого было получено только в 1920-е годы, когда ученые обнаружили объекты, не входящие в нашу Галактику. Именно в это время было установлено, что спиралеобразные и некоторые другие туманности также являются звездными системами. Но эти системы находятся на огромных расстояниях от нас. По своему строению и размерам они сравнимы с нашей Галактикой. Но все эти системы-галактики (а их множество) очень разнообразны по форме и составу звезд.

То, что Земля находится внутри Галактики, для наблюдения звезд и хорошо и плохо. Хорошо потому, что облегчает исследование звезд, ведь все составные части Галактики у нас прямо «под рукой», во всяком случае, значительно ближе, чем составные части других галактик. Плохо же потому, что затрудняет исследование нашей же Галактики, ее строения. Его было бы легче исследовать, если бы можно было взглянуть на нее извне, как мы смотрим на другие галактики. Ясно, что легче составить план стеклянного сооружения, если его рассматривать извне, нежели если находишься внутри одной из ячеек этого сооружения. Проведенные разными астрономами исследования позволили составить достаточно детальную картину устройства нашей Галактики. Форма Галактики напоминает круглый сильно сжатый диск. Галактика имеет плоскость симметрии, которая разделяет ее на две равные части. Ось симметрии проходит через центр диска — Галактики. Она перпендикулярна к плоскости симметрии. В отличие от обычного диска, у Галактики нет четко очерченной границы. В Галактике звезды располагаются тем теснее, чем ближе данное место к плоскости симметрии Галактики. В самом центре Галактики плотность звезд максимальна. Здесь на каждый кубический парсек приходится несколько десятков звезд. Плотность звезд в центральной части Галактики в несколько сотен раз больше, чем в окрестностях Солнца. По мере удаления от оси и плоскости симметрии плотность звезд падает. Особенно она уменьшается при удалении от плоскости симметрии. Вид Галактики сбоку и сверху изображен на рисунках 1 и 2 соответственно.

Граница Галактики размыта. Поэтому точно определить ее можно только в том случае, если задать плотность звезд, которая характерна за пределами Галактики. Ученые договорились считать границей Галактики те места, где одна звезда приходится на 1000 кубических парсек пространства. Тогда диаметр Галактики приблизительно равен 30 000 пс, а толщина Галактики — 2500 пс. Из соотношения этих размеров видно, что Галактика является действительно сильно сжатой системой, поскольку ее диаметр в двадцать раз больше ее толщины. Можно сравнить размеры Галактики с размерами Солнечной системы. Свет проходит всю Солнечную систему за 12 часов, тогда как всю Галактику он проходит за сто тысяч лет.

Что касается Солнца, то оно находится практически полностью в плоскости симметрии Галактики. Но от центра Галактики Солнце находится далеко, на расстоянии около 10 000 пс. Это ближе к ее границе, чем к центру.

Количество звезд в Галактике огромно — оно превосходит сто миллиардов.

При измерении в спектрах звезд линий поглощения был обнаружен межзвездный газ. Это поглощение вызывалось межзвездным кальцием и межзвездным натрием. Как образуются эти линии? Кальций и натрий заполняют все пространство между наблюдателем и звездой, и через них проходит свет от звезд. Поскольку эти натрий и кальций никак не связаны со звездами, то линии поглощения, создаваемые ими, одинаковые для всех звезд. Кроме того, лучевая скорость, определенная по линиям межзвездного кальция и натрия, очень отличается от лучевой скорости, которая получается по линиям спектра, принадлежащим самой звезде.

Вначале в межзвездном газе обнаружили натрий и кальций. Затем обнаружили кислород, титан и другие элементы. Были обнаружены и некоторые молекулярные соединения: циан СN, углеводород СН и другие.

Плотность межзвездного газа определяется по интенсивности его линий. Измерения показали, что эта плотность очень мала.

Рис. 1. Млечный Путь (вид нашей Галактики сбоку)

В самом центре Галактики плотность межзвездного газа должна быть наибольшей. Но и здесь имеется всего по одному атому в объеме 10 000 см3. Сравним с плотностью воздуха в обычных земных условиях, которая составляет 2,71019 молекул на один кубический сантиметр.

Больше всего в межзвездном газе водорода. Но длительное время его не удавалось обнаружить. Это связано с особенностями физического строения атома водорода, а также с характером поля излучения в Галактике. Дело в том, что плотность излучения в Галактике очень мала. Это обусловлено большими расстояниями между звездами. Для сравнения укажем, что если убрать излучение Солнца, отраженный свет от Луны, все планеты и вообще все источники

света на Земле, то остается примерно такое же излучение, как в Галактике. Это излучение исходит от звезд. А раз мало излучения, мало фотонов (квантов), то и мала вероятность того, что они поглотятся атомами и молекулами межзвездного газа. Тем более что этих атомов и молекул также очень мало. Есть еще одно ограничение — это энергия кванта. Она должна быть определенной для того, чтобы ее поглотил атом или молекула. Если энергия кванта велика, то атом ионизируется, то есть энергия кванта уходит на отрыв от атома орбитального электрона. Если же энергия кванта невелика и ее не хватает на отрыв электрона от атома, то атом поглощает эту энергию, в результате чего атом возбуждается. Это значит, что орбитальный электрон покидает свое постоянное стабильное место и переходит на другую орбиту. Такой атом уже не стабилен, а возбужден. Он со временем может вернуться в стабильное, устойчивое состояние, но для этого ему надо избавиться от той энергии, которую он поглотил. Иными словами, при переходе в свое устойчивое, основное состояние атом должен из-

Рис. 2. Млечный Путь (вид нашей Галактики сверху)

лучить квант той же частоты, а значит, и энергии, которую он поглотил.

В межзвездном газе атомы находятся в возбужденном состоянии очень недолго, всего лишь ничтожную долю секунды. Поэтому большинство атомов межзвездного газа находится в основном в нейтральном, невозбужденном состоянии.

Для того чтобы атом нейтрального водорода перешел в возбужденное состояние, он должен поглотить весьма приличную порцию энергии. Это значит, что излучение, которое должен поглотить атом водорода, должно иметь высокую частоту (чем больше частота кванта, тем больше его энергия). Только в этом случае атом водорода образует линию поглощения. Но эта линия лежит в далекой ультрафиолетовой части спектра. При обычных наблюдениях эта линия в спектрах звезд не получается. По сути, далекое ультрафиолетовое излучение полностью поглощается атмосферой Земли. Для того чтобы замерить эти линии поглощения, надо подняться над атмосферой. Поднять приборы можно с помощью спутников и высотных ракет. Собственно, это и сделали исследователи.