Будова галактики

Наша Галактика складається в основному із зірок, міжзоряного газу і космічних променів. Все це пов’язано між собою полями тяжіння і магнітними полями. Є в ній ще радіохвилі, світлові, рентгенівські і гамма-промені — електромагнітне випромінювання, яке відіграє чималу роль в житті кожної окремої зірки, але несуттєво для системи в цілому. 90-95 відсотків речовини Галактики зібрано в зірки, а решта припадає на газ, в основному водень.

Зоряне населення (цей термін офіційно прийнятий в астрономії) ділиться на два типи. Молоді зірки (а їх переважна більшість), що утворюють населення 1 типу, майже всі зібралися у величезний тонкий диск у центральній площині Галактики. Діаметр диска близько ста тисяч світлових років, тобто приблизно мільярд мільярдів кілометрів, а товщина всього дві-три тисячі світлових років. Населення II типу утворює певну сферу. І чим ближче до центру Галактики, тим таких зірок більше. Зірки цього населення старшого віку.

Галактика за формою нагадує швидше дискову пилу, ніж спортивний диск для метання. Ми з вами живемо на відстані 30 000 світлових років від центру, десь на околиці диска, але зате поблизу центральної його площини.

Отже, в профіль Галактика схожа на плоский диск з кульовим потовщенням в центрі. Складніше її вигляд анфас.

Газові туманності Галактики зібрані в світлі смуги (рукава), закручені у спіралі. Сонце знаходиться недалеко від краю рукава, що отримало ім’я Сонячного (інакше його називають рукав Лебідь-Кіль). На відстані 9000 світлових років від Сонця, у напрямку до кордонів Галактики, можна виявити деталі рукава Персея. А в 4000 світлових років ближче до центру помітний рукав Стрільця.

Розглянути, що знаходиться ще ближче до центру, що розташоване за ним, не вдається, заважаючи на «чорні мішки» космічного пилу.

Правда, дещо з’ясувалося з розвитком радіоастрономії. Для радіохвиль космічний пил виявився досить прозорим. Нейтральний водень інтенсивно випромінює дециметрові радіохвилі. По цьому випромінюванню встановили, що в просторі між рукавами один атом водню припадає на 5 кубічних сантиметрів, а в рукавах середня щільність газу в п’ять разів вище.

Радіо спостереження переконали астрономів, що наш великий зоряний будинок складається з 10-14 спіральних поверхів. Ми знаємо тепер, як він виглядає в плані і в розрізі. Неясно тільки одне… чому він давним-давно не розвалився.

Спіралі повинні розмазатися

Галактика має дуже складну форму і обертається навколо свого центру мас. Спіральні галактичні рукава зігнуті. І не безладно, а за строгою математичною формулою логарифмічної спіралі. Так само вигнуті гілки безлічі інших спіральних галактик — очевидно, ця форма стійка. У всякому разі, вона існує так само довго, як наша Сонячна система (тобто приблизно 5-6 мільярдів років). Досить імовірно, однак, що спіралі Галактики існували раніше, ніж утворилося наше Сонце. Але тут починається незрозуміле.

Розумно припустити: кожна зірка, кожна молекула газу або порошинка обертається абсолютно незалежно від інших навколо центру тяжіння Галактики. І за тими ж законами, за якими штучні супутники рухаються навколо Землі. Але тоді ті маси галактичної речовини, які розташовані ближче до центру Галактики, повинні робити повний оборот набагато швидше, ніж далекі. Виходить, не встигло б наше Сонце зробити один оборот (йому знадобилося б для цього «всього» 200 мільйонів років), як одні «жителі» Галактики, ті, що ближче до центру, обігнали його, а далекі від центру зірки, пилові скупчення і т. д. відстали б. Значить, рукави Галактики розтяглися б у суцільний диск або розбилися б на концентричні кільця, типу кілець Сатурна. Чому цього не відбувається, до недавніх пір не міг зрозуміти жоден астроном.

Стійкість галактичних рукавів здавалася загадковою і дивовижною. Ще гірша справа з центром Галактики, де густина газу значно більше, ніж в рукавах. Газ цей, мабуть, «витікає» в рукава. Одна лише найближча до центру спіральна гілка повинна нести за рік з галактичного центру кількість газу, рівну по масі Сонцю. Як вважає відомий голландський астроном Оорт, всього за тридцять мільйонів років одна лише ця гілка повинна була «викачати» весь газ з диска радіусом до 9 тисяч світлових років. Занадто швидко!

Пояснити тривале існування ядра міг би приплив до нього звідкись нових порцій газу. Але цього ще ніхто не виявив.

Астрономи потрапили в дивне становище: після багатьох праць їм вдалося з’ясувати склад і будову нашої Галактики, і тут вони побачили, що така будова довго зберігатися як ніби не може.

Вперше обґрунтовану спробу пояснити сталості форми Галактики зробив професор Г. Ріхтер з Німеччини.

Галактику «ліпить» ударна хвиля

Перший крок Ріхтера: він ретельно досліджував розподіл в Галактиці нейтрального водню. І помітив новий несподіваний факт: щільність газу в рукавах нерівномірна. В деяких ділянках радіотелескоп виявив максимуми випромінювання, за якими слідують мінімуми. Це відповідає, очевидно, згущенням та розрідженням міжзоряного газу.

Згущення і розрідження! Але як і чому вони з’явилися? У дитячій книжці з фізики картинка: дзвін, поруч — вухо, між ними, то густіше, то рідше розташовані рисочки. Так ілюструється природа звукової хвилі. Коливання дзвону то стискає прилеглий шар повітря, то, пружно розширюючись, стискає сусідній шар і т. д. Ось і біжить по повітрю хвиля, яка складається з стиснень та розріджень.

Згущення і розрідження уздовж рукавів Галактики можна б виникнути, якщо б в міжзоряному газі бігла якась хвиля. Про хвильову природу галактичних спіралей до Ріхтера ніхто не думав. А між тим…

Як не розріджений міжзоряний газ, як не великі відстані між його атомами, як не рідкісні зіткнення між ними, все ж він залишається газом, підлеглим звичайним газовим законам. І в цьому міжзоряному газі звукові хвилі поширюються зі швидкістю, близько кілометра в секунду — всього в три рази швидше, ніж у повітрі, щільність якого в трильйони разів більше. Але Ріхтер виявив в міжзоряному газі не звукові хвилі.

При звукових коливань частинки зміщуються, залишаючись «прив’язаними» до свого місця. Інше відбувається при виникненні ударних або вибухових хвиль, що рухаються з надзвуковою швидкістю. Це теж чергування згущень і розріджень. Але в ударній хвилі стисла маса газу рухається — і з величезною швидкістю.

Миттєвий знімок ударної хвилі нагадав би моментальну фотографію снаряда, що прорізає повітря. І по своїй дії ударна хвиля нагадує снаряд: в її фронті податливий газ, присутності якого ми зазвичай навіть не помічаємо, спресовується, стає як би твердим, і далеко не всяка перепона може перед ним встояти. Ударні хвилі у повітрі викликає і реактивний надзвуковий літак і вибух динаміту. Ударні хвилі виникають і в міжзоряному газі.

Гіпотеза професора Ріхтера

Пояснимо загадку стійкості нашого зоряного будинку конкретним прикладом. На відстані 10 тисяч світлових років від центру Галактики, майже на півдорозі від її центру до Сонця, є спіральний рукав, який віддаляється від центру аномально швидко — зі швидкістю 53 кілометри в секунду. По іншу сторону від центру знайдена гілка, що виливається ще швидше. Інші гілки теж віддаляються від центру, але набагато повільніше.

Звернемо увагу на інший факт: обидва рукави-втікача разом з усією Галактикою обертаються навколо центру, але набагато повільніше, ніж потрібно для збереження цілісності Галактики. В стійких системах при їх обертанні відцентрова сила інерції повинна врівноважуватися силою тяжіння — тією, з якою тіла притягаються до центру мас. Але відцентрова сила тим більша, чим вище швидкість обертання. Якщо швидкість обертання менше необхідної, тіло падає до центру, якщо більше віддаляється від нього. Швидкість же обертання далеких гілок помітно менше тієї, що необхідна для рівноваги між відцентровою силою і тяжінням. Тим не менш, гілки не тільки не падають до галактичного центру, але, навпаки, відлітають геть. Чому ж?

Центр галактики

Ріхтер виявив причину в таємничому центрі Галактики. Концентрація зірок там в тисячу разів більше, ніж в околицях Сонця. У самому ж центрі Галактики є могутнє джерело радіовипромінювання Стрілець А — щось на зразок кулі діаметром до 500 світлових років. Воно занурене у швидко рухомий газовий диск з різким зовнішнім кордоном на відстані 2500 світлових років від центру. Цей тонкий газовий диск обертається приблизно так, як оберталося б тверде тіло, а не розпливчаста хмара газу.

На перший погляд, це дивно. Як газ може перетворитися в твердь? Пояснення таке: лінійна швидкість обертання країв диска (вони різко окреслені) становить близько 260 кілометрів в секунду, а при такій швидкості маса газу рухається ніби в твердих стінках. (Стрибнувши у воду з високої вишки, ви можете переконатися, яким стає твердим податливе м’яке середовище, якщо ви рухаєтеся в ньому з дуже великою швидкістю).

Тепер, згадавши сказане вище про можливість існування в галактичному газі ударних хвиль, ми легко зрозуміємо суть ідеї Ріхтера.

Нехай у зовнішній газовій «стінці» диска або в ньому самому виникне невелика неоднорідність. Порушивши рівновагу обертання, вона швидко розвивається, і в кінці кінців частина речовини вирветься з величезною швидкістю в навколишній простір. Згусток, що вирвався, завдає колосальний удар по зовнішньому середовищу. І в міжзоряному газі порушується потужна вибухова хвиля. Вона буде поширюватися від центрального ядра до периферії Галактики.

На думку професора Ріхтера, початкова швидкість ударної хвилі становить близько 60 кілометрів на секунду. За такої швидкості вона рухається в міжзоряному газі, точно всередині «твердої трубки» (як диск, що породив її обертається всередині «твердих стінок»). Але по мірі віддалення від центру швидкість ударної хвилі зменшується через опір міжзоряного середовища та гравітаційних впливів, а шлях її згинається. Зрештою, хвиля розсіюється. Але все це триває мільярди років, бо траєкторії хвиль, шляхи їх розповсюдження в газі дуже стійкі.

Стає ясно, чому досі не вичерпався центральний галактичний диск. В ударній хвилі за згущенням слідує розрідження, і частина речовини повертається на колишнє місце.

Таким чином, за Ріхтером спіральні рукави Галактики це не що інше, як ударні хвилі, що виникають час від часу в її центрі. Поперечник космічних ударних хвиль величезний — вимірюється мільйонами квадратних світлових років. За положенням згущень і розріджень в рукавах Ріхтер оцінив інтервали між двома послідовними ударними хвилями в 300 — 400 мільйонів років. Остання ударна хвиля виникла близько 60 мільйонів років тому.

Як бачите, наш зоряний будинок отримує новий вигляд — замість пухкого, розпливчатого утворення він представляється стрімко рухомою зоряно-газовою дзигою, пронизаною гігантськими хвилями, які тримають його і надають йому складну, тонку динамічну структуру.

Хвилі, зірки, життя

У наш час вчені часто не обмежуються обґрунтованими висновками, але дозволяють собі і напівфантастичні припущення. Здогади підтвердяться чи ні — це не відіб’ється на істотності основної гіпотези, зате сміливі порівняння і аналогії можуть послужити поштовхом для цікавих роздумів.

Цікаво познайомитися з міркуваннями професора Ріхтера про причини… загибелі динозаврів.

Які тільки гіпотези не пропонувалися для пояснення зникнення цих чудовиськ, після яких 60 мільйонів років тому господарями Землі стали ссавці. Цю біологічну революцію намагалися пояснити і космічними катастрофами, епідеміями, і похолоданнями, пов’язаними з переміщенням полюсів планети, і якимись ще не з’ясованими процесами на Сонці.

Ріхтер зазначив, що виникнення останньої ударної хвилі в міжзоряному газі співпало за часом із загибеллю динозаврів. Він зіставив також деякі інші круті повороти в історії життя на Землі з інтервалами між космічними ударними хвилями. І прийшов до висновку, що ударні хвилі, які «заділи» Сонячну систему, могли чинити істотний вплив на всі форми життя. Правда, про конкретний механізм такого гіпотетичного впливу Ріхтер нічого сказати не зміг.

А ось ще одна, поки що теж напівфантастична гіпотеза. Вона стосується більш масштабної проблеми — проблеми народження зірок.

У фронті ударної хвилі щільність газу на деякий час повинна збільшитися в сотні і тисячі разів. В результаті, зауважує Ріхтер, створюються умови, що сприяють конденсації речовини в щільні космічні тіла.

Порівняно легко уявити собі, як відбувається розсіювання речовини в космосі: газ прагне зайняти, можливо, більший об’єм, частки його розбігаються в усі сторони. Крім того, газова хмара, якщо тільки внутрішні сили тяжіння у неї недостатньо великі, буде розірвана на частини силою тяжіння до центру Галактики.

Однак, якщо ударна хвиля змусить стиснутися хмару, сили тяжіння всередині неї повинні різко зрости. Ці сили зможуть втримати частинки разом, і стане можливим згущення хмари, перетворення її в зірку.

Зрозуміло, це тільки гіпотеза, та до того ж поки напівфантастична, але виглядає вона для астрономів дуже заманливо.

В нашому зоряному будинку все пов’язано між собою. І якщо хитнеться фундамент, якщо в ядрі Галактики народиться ударна хвиля, то населення всіх її поверхів, і зоряне і живе, не може не відчути цього.

Автори: С. Владимиров, М. Карєв.