Всесвіт

Дослідження галактик розпочав Гершель у XVIII ст. Відкривши і склавши каталоги понад 2500 туманностей, він дослідив їх форми і значну частину з них виділив в окрему групу „молочних шляхів”, які мали бути подібними до нашої Галактики. Відстані до цих об’єктів він оцінював в мільйони св. р. справжнє відкриття світу галактик настало у XX ст. завдяки працям Е. Габбла.

Еліптичні галактики Е мають вигляд кругів чи еліпсів, яскравість яких плавно зменшується від центра до краю. Їх ділять на 8 підтипів від Е0 (коловий об’єкт) до Е7 (об’єкт сплющений).

Спіральні галактики складаються з ядра і кількох спіральних рукавів або гілок. У звичайних спіральних галактиках (тип S) гілки виходять безпосередньо з ядра.

У спіральних галактиках з перемичкою (тип SB) ядро перетинається вздовж діаметра поперечною смугою із зір – перемичкою (баром), від кінців якого й починаються спіральні рукави.

Проміжними між E та S є лінзоподібні галактики (підтип S0), яскравість яких від центра до краю змінюється стрибками.

До неправильних галактик (тип Ir) належать ті, що не мають чітко вираженого ядра і симетричної структури.

Найближча до нас у пн. півкулі неба галактика Туманність Андромеди – це спіральна галактика.

Приблизно 25 % галактик – еліптичні, 50 % – спіральні, 20 % типу S0, 5% - галактики типу Ir.

У далеких галактиках намагаються зареєструвати спалахи нових і особливо наднових зір у момент максимуму їх блиску. Покладаючи, що потужність цих об’єктів однакові у всіх галактиках, за їх видимими величинами встановлюють відстані. А потім діаметри галактик.

Спостереження показують, що лінії у спектрах усіх відомих галактик зміщені у червоний бік порівняно з тими ж лініями у спектрі нерухомого об’єкта.

Це явище, яке отримало назву червоного зміщення галактик, пов’язано з їх рухом у просторі в напрямку від спостерігача (ефект Допплера-Фізо). Швидкість віддалення:

v = c(Δλ|λ) = Hr,

де відстань виражена у Мпк.

Ця залежність називається законом Габбла. Н = 75 км/(с·Мпк).

r=v/H=c/H * (Δλ|λ) = c/H * z.

Радіогалактика — тип галактик, який володіє набагато більшим радіовипромінюванням, ніж звичайні галактики. Радіовипромінювання найбільш «яскравих» радіогалактик перевищує їх оптичну світимість. Джерела випромінювання радіогалактик звичайно складаються з декількох компонентів (ядро, гало, радіовикиди).

Серед відомих радіогалактик можна виділити:

    * Лебідь A — щонайпотужніше позагалактичне джерело радіовипромінювання.

    * Центавр A (NGC 5128) — найближча радіогалактика (відстань приблизно 4 Мпк).

    * Діва А (NGC 4486, M 87) — одна з наймасивніших галактик в скупченні Діви.

    * Піч А (NGC 1316)

Радіогалактики, галактики, для яких характерне радіовипромінювання аномально великої потужності в порівнянні з нормальними галактиками (такими, наприклад, як наша Галактика або Велика галактика Андромеди). Радіогалактики складають найбільш численну групу позагалактичних радіоджерел і по характеру радіовипромінювання схожі, з одного боку до квазарів,  а з іншою — до нормальних (спіральним) галактик. Проте не встановлено чи складають радіогалактики особливу групу об'єктів або це лише особлива стадія еволюції будь-якої галактики. Переважна більшість з них відносяться до типу гігантських еліптичних галактик, до їх числа належать також галактики з особливостями в ядрах: сейфертовські і N-галактики. Приблизно для 100 радіогалактик виміряно червоний зсув, отже може бути визначено і відстань. Самий віддалений об'єкт з них — ЗС 295 з червоним зсувом 0,46. Світимість радіогалактики в радіодіапазоні складає 1040—1045 ерг/сек (для нормальних галактик — 1037—1038 ерг/сек).

  Радіовипромінюючі області звичайно мають досить складну структуру; для них характерна наявність протяжних (прозорих) і компактних (непрозорих) областей. Більшість радіогалактик складаються з 2 джерел радіовипромінювання, віддалених від оптичної компоненти галактики на значну відстань. Часто область радіовипромінювання містить декілька компонент меншого розміру. Радіовипромінювання звичайно лінійно поляризоване, що свідчить про однорідність магнітного поля у великому масштабі. Для багатьох об'єктів характерна змінність радіовипромінювання, що відноситься в основному до компактних областей. У деяких радіогалактик разом із змінністю радіовипромінювання спостерігаються зміни їх блиску в оптичному діапазоні.

  Радіовипромінювання, мабуть, має синхротронну природу, тобто виникає при русі ультрарелятивістських (з швидкостями, близькими до швидкості світла) електронів в слабких магнітних полях. Відповідно до спостережуваного потоку радіовипромінювання енергія, що припадає на частку релятивістських частинок, виявляється надзвичайно великою: близько 1052 ерг в компактних джерелах і 1057—1061 ерг в протяжних. Характер змінності (зміна інтенсивності і поляризації з довжиною хвилі і часом) свідчить про періодичні викиди щільних хмар релятивістських частинок; ці хмари надалі розширюються і стають прозорими. Потужність таких вибухів — близько 1052 ерг. Для підтримки протяжного джерела потрібно близько 1 вибуху в рік протягом приблизно 108 років (при вибуху звичайної наднової зірки виділяється близько 1048 ерг).

  Найважчими є проблеми еволюції радіогалактик, природа джерел енергії і переходу її в енергію релятивістських частинок. Гіпотези, запропоновані для пояснення явища, поки не можна вважати обґрунтованими.

Квазар (англ. quasar — скор. від quasistellar radiosource — квазізоряне джерело радіовипромінювання) — клас небесних об'єктів, які в оптичному діапазоні схожі на зірку, але що мають сильне радіовипромінювання і надзвичайно малі кутові розміри (менше 10").

Первинне визначення склалося в кінці 50-х, початку 60-х, коли були відкриті перші квазари і їх вивчення тільки почалося. І в цьому визначенні немає нічого неправильного, за винятком наступного факту. Як виявилось, за станом на 2004 рік цьому визначенню відповідають максимум 10% квазарів. А інші 90% не випромінюють сильних радіохвиль. Такі об'єкти астрономи називають радіоспокійними квазарами.

Квазар — це яскравий об'єкт в центрі галактики, який проводить приблизно в 10 трильйонів разів більше енергії в секунду, ніж наше Сонце, і чиє випромінювання дуже мінливе у всіх діапазонах довжин хвиль.

По одній з теорій, квазари є галактиками на початковому етапі розвитку, в яких надмасивна чорна діра поглинає навколишню речовину.

Вперше квазари виявили в 1960 році як радіоджерела, співпадаючі в оптичному діапазоні із слабкими зіркоподібними об'єктами. У 1963 році голландський астроном Мартін Шмідт довів, що лінії в їх спектрах сильно зміщені в червону сторону. Приймаючи, що цей червоний зсув викликаний ефектом космологічного червоного зсуву, що виник в результаті віддалення квазарів, відстань до них визначили за законом Хаббла. Оскільки останнім часом прийнято вважати, що джерелом випромінювання є аккреційнний диск надмасивної чорної діри, що знаходиться в центрі галактики, представляється найбільш вірогідним, що червоний зсув викликаний не віддаленням квазарів, а гравітаційним червоним зсувом, який було передбачено А. Ейнштейном при розробці загальної теорії відносності. У такому разі методика визначення відстаней до центрів світимості квазарів звичайним способом може давати абсолютно недостовірні результати.

Дуже складно визначити точне число виявлених на сьогодні квазарів. Це пояснюється, з одного боку, постійним відкриттям нових квазарів, а з іншого — деякою розмитістю межі між квазарами і іншими типами активних галактик. У опублікованому в 1987 році списку Хьюїтта — Бербріджа число квазарів 3594. У 2005 році група астрономів використовувала в своєму дослідженні дані вже про 195 000 квазарів.

Найближчий і найбільш яскравий квазар (3C 273) має блиск біля 13m і червоний зсув z = 0,158 (що відповідає відстані близько 2 млрд. світлових років). Найвіддаленіші квазари, завдяки своїй гігантській світимості, що перевищує в сотні разів світимість звичайних галактик, реєструються за допомогою радіотелескопів на відстані більше 10 млрд. світлових років. Нерегулярна змінність блиску квазарів на тимчасових масштабах менше доби вказує на те, що область генерації їх випромінювання має малий розмір, порівнянний з розміром Сонячної системи.

Останні спостереження показали, що більшість квазарів знаходяться поблизу центрів величезних еліптичних галактик.

Квазари порівнюють з маяками Всесвіту. Вони видимі з величезних відстаней (до червоного зсуву z=6,4), по ним досліджують структуру і еволюцію Всесвіту, визначають розподіл речовини.

У всіх галактиках, окрім самих невеликих, виділяється яскрава центральна частина, названа ядром. У нормальних галактиках, таких, як наша, велика яскравість ядра пояснюється високою концентрацією зірок. Але все таки сумарна кількість зірок ядра складає лише декілька відсотків від їх загального числа в галактиці. Зустрічаються галактики, у яких ядра особливо яскраві. Причому в цих ядрах крім зірок спостерігається яскраве зіркоподібне джерело в центрі і газ, що світиться, рухається з величезними швидкостями — тисячі кілометрів в секунду. Галактики з активними ядрами були відкриті американським астрономом Карлом Сейфертом в 1943 р. і згодом одержали назву сейфертовских галактик. Зараз відомі тисячі подібних об'єктів.

Сейфертовскі галактики (або просто сейферти) відносяться до гігантських спіральних зоряних систем. Серед них підвищена частка перетнутих спіралей, тобто галактик з баром (SB по класифікації Хаббла). Сейферти частіше, ніж звичайні галактики, утворюють пари або групи, але уникають великих скупчень. Сейферти складають приблизно 1% від загального числа спіральних систем, і їх просторова концентрація така, що одна галактика розміщена приблизно на 10 тис. кубічних мегапарсек.

Сейферт виявив 12 галактик з активними ядрами, але протягом 15 років їх практично не вивчали. У 1958 р. радянський астрофізик Віктор Амбарцумян привернув увагу астрономів до дослідження активних ядер. В даний час вивчення ядер галактик є одним з найбільш актуальних напрямів астрономії.

Форми прояву активності ядер неоднакові в різних галактиках. Це може бути дуже велика потужність випромінювання в оптичній, рентгенівській або інфрачервоній області спектру, причому помітна змінна за декілька років, місяців або навіть днів. В деяких випадках спостерігається дуже швидкий рух газу в ядрі — з швидкостями тисячі кілометрів в секунду. Іноді газ утворює довгі прямолінійні викиди. У деяких галактиках ядра є джерелами високоенергетичних елементарних частинок (електронів і протонів). Ці потоки частинок нерідко назавжди покидають галактику у вигляді радіовикидів, або радіоджетів.

Джети зароджуються на великих відстанях від чорних дір.

Дослідники протягом цілого року спостерігали за джетом блазара 3C 279 в сузір'ї Діви, використовуючи більше 20 різних телескопів. Приблизно у середині періоду спостережень учені зареєстрували 20-денне збільшення інтенсивності гамма-випромінювання, що співпало за часом із зміною поляризації оптичного випромінювання. Цей факт свідчить про те, що області випускання оптичного і гамма-випромінювань співпадають.

Більша частина загальної енергії, що виділяється в джеті, несеться саме гамма-випромінюванням, і дослідники припускали, що виділення цієї енергії повинне відбуватися поблизу чорної діри.

Факти говорять про зворотне. Добре відомо, де зароджується оптичне випромінювання, і тепер виходить, що гамма-випромінювання випускається не в 1-2 світлових днях від чорної діри, як багато хто передбачав, а на відстані близько одного світлового року від неї.

Поступова зміна поляризації оптичного випромінювання також указує на те, що джет «скривлюється» у міру віддалення від чорної дірки.

Ці дані вимагають нової теоретичної моделі джета. Дослідники попереджають, що врахувати вплив магнітного поля в процесі формування джета надзвичайно складно, і розробка моделі може затягнутися.

Активні ядра будь-якого типу характеризуються дуже великою світимістю у всьому діапазоні електромагнітного спектру (в порівнянні з ядрами нормальних галактик). Потужність випромінювання сейфертовських галактик іноді досягає 1035 Вт, що ненабагато поступається світимості всієї нашої Галактики. Але ця величезна енергія виділяється в області діаметром близько 1 пк — менше, ніж відстань від Сонця до найближчої зірки. Потужність випромінювання світла (оптична світність) значно нижче, хоч і досягає 1034 Вт. Основна частина енергії випромінюється звичайно в інфрачервоному діапазоні.

Що ж служить джерелом енергії для такої бурхливої активності? Що за «реактор», що займає менше 1 пк, виробляє стільки енергії? Остаточної відповіді поки не знає ніхто, але в результаті тривалої роботи теоретиків і спостерігачів розроблено декілька найбільш вірогідних моделей.

Першою була висунута гіпотеза, що в центрі галактики знаходиться щільне масивне скупчення молодих зірок. У такому скупченні часто повинні відбуватися вибухи наднових. Ці вибухи можуть пояснити і спостережувані викиди речовини з ядер, і змінність випромінювання.

Друга модель була запропонована в кінці 60-х рр. по аналогії з тоді тільки відкритими пульсарами. Згідно цієї версії, джерелам активності ядра служить надмасивний зіркоподібний об'єкт (газова куля) з могутнім магнітним полем так званий магнітоїд.

Третя модель пов'язана з таким загадковим об'єктом, як чорна діра. Передбачається наявність чорної діри масою в десятки або сотні мільйонів мас Сонця в центрі галактики. В результаті аккреції (падіння) речовини на чорну діру виділяється величезна кількість енергії. При падінні в гравітаційному полі чорної діри речовина розженеться до швидкостей, близьких до швидкості світла. Потім при зіткненні газових мас поблизу чорної діри енергія руху перетвориться у випромінювання електромагнітних хвиль.

Спектральні спостереження на космічному телескопі Хаббл і крупних наземних телескопах підтвердили наявність великих мас речовини, що не світиться, в ядрах цілого ряду галактик. Це добре узгоджується з припущенням, що причиною активності ядер є масивні чорні діри. Чорні діри масою більше мільйона мас Сонця можуть бути у значної частини галактик.

Для розуміння природи активних ядер важливо враховувати і ефекти, пов'язані з взаємодією галактик. Коли дві галактики проходять поблизу одна одної, їх структура може зазнати значних зміни. Зокрема, якщо в самий центр галактики потрапляє велика кількість газу, він стимулює активність ядра. Тому серед сильно взаємодіючих галактик особливо часто зустрічаються галактики з активними ядрами.

Космологія – наука про Всесвіт у цілому, про найзагальніші закони його будови і розвитку. Сучасна космологія ґрунтується на створеній Ейнштейном (1916 р.) загальній теорії відносності, в якій було встановлено, що розвиток і подальша доля Всесвіту залежить від значення середньої густини речовини.

Якщо середня густина речовини більша за критичну, то Всесвіт пульсує. Якщо критична густина більша, то розширення Всесвіту триває вічно. Якщо світ галактик розширюється, то вони почали розліт з деякої сингулярної точки.

Астрономи отримали цілий ряд прямих вказівок на те, що в основному саме темна речовина заповнює Всесвіт. Вона утворює протяжні темні гало і міститься в міжгалактичному просторі.

Зоряне небо над головою довгий час було для людини символом вічності. Лише в Новий час люди усвідомили, що «нерухомі» зірки насправді рухаються, причому з величезними швидкостями. У ХХ ст. людство звиклося з ще дивнішим фактом: відстані між зоряними системами – галактиками, не пов'язаними один з одним силами тяжіння, постійно збільшуються.

І справа тут не в природі галактик: сам Всесвіт розширюється! Природознавству довелося розлучитися з одним із своїх основоположних принципів: всі речі змінюються в цьому світі, але світ в цілому завжди однаковий. Це можна вважати найважливішою науковою подією ХХ ст.

Все почалося, коли Альберт Ейнштейн створив загальну теорію відносності. Вона описує фундаментальні властивості матерії, простору і часу («відносний» латиною звучить як relativus, тому теорії засновані на теорії відносності Ейнштейна, називаються релятивістськими).

Застосувавши свою теорію до Всесвіту як цілої системи, Ейнштейн виявив, що такого рішення, якому відповідав би незмінний з часом Всесвіт, не виходить. Цей не задовольнило великого ученого.

Щоб домогтися стаціонарного рішення своїх рівнянь, Ейнштейн ввів в них додатковий доданок – так званий лямбда-член. Проте дотепер ніхто не зміг знайти якого-небудь фізичного обґрунтування цього додаткового члена.

На початку 20-х років радянський математик О. О. Фрідман вирішив для Всесвіту рівняння загальної теорії відносності, не накладаючи умови стаціонарності. Він довів, що можуть існувати два стани для Всесвіту: світ, що розширюється, і світ, що стискається. Одержані Фрідманом рівняння використовують для опису еволюції Всесвіту і в даний час.

Всі ці теоретичні міркування ніяк не зв'язувалися ученими з реальним світом, поки в 1929 р. американський астроном Едвін Хаббл не підтвердив розширення видимої частини Всесвіту. Він використовував при цьому ефект Доплера. Лінії в спектрі рухомого джерела зміщуються на величину, пропорційну швидкості його наближення або віддалення, тому швидкість галактики завжди можна обчислити по зміні положення її спектральних ліній.

Ще в другому десятилітті ХХ ст. американський астроном Весто Слайфер, дослідивши спектри декількох галактик, відмітив, що у більшості з них спектральні лінії зміщені в червону сторону. Це означало, що вони віддаляються від нашої Галактики з швидкостями в сотні кілометрів в секунду.

Хаббл визначив відстань до невеликого числа галактик і їх швидкості. З його спостережень виходило, що чим далі знаходиться галактика, тим з більшою швидкістю вона від нас віддаляється. Закон, по якому швидкість віддалення пропорційна відстані, одержав назву закону Хаббла.

Чи означає це, що наша Галактика є центром, від якого і йде розширення? З погляду астрономів, таке неможливе. Спостерігач в будь-якій точці Всесвіту повинен побачити ту ж картину: всі галактики мали б червоні зсуви, пропорційні відстані до них. Сам простір роздувається.

Якщо на повітряній кульці намалювати галактики, і почати надувати його, то відстані між ними зростатимуть, причому тим швидше, чим далі вони розташовані один від одного і різниця лише в тому, що намальовані галактики самі збільшуються в розмірах, реальні ж зоряні системи всюди у Всесвіті зберігають свій об'єм. Це пояснюється тим, що складові їх зірки зв'язані між собою силами гравітації.

Факт постійного розширення Всесвіту встановлений твердо. Найдальші з відомих галактик і квазарів мають такий великий червоний зсув, що довжини хвиль всіх ліній в спектрах опиняються більшим.

Але якщо Всесвіт розширюється, то сьогодні ми бачимо його не таким, яким він був у минулому. Мільярди років тому галактики були значно ближчим одна до одної. Ще раніше окремі галактики просто не могли існувати, а ще ближче до початку розширення не могло бути навіть зірок. Ця епоха – розширення Всесвіту – віддалена від нас на 12 – 15 млрд. років.

Оцінки віку галактик поки дуже приблизні. Але встановлено, що найстаріші зірки різних галактик мають приблизно однаковий вік. Отже, більшість зоряних систем виникли в той період, коли щільність речовини у Всесвіті була значно вище ніж зараз.

На початковій стадії Всесвіт мав настільки високу щільність, що її навіть неможливо було уявити. Ідею про розширення Всесвіту з надщільного стану ввів в 1927 р. бельгійський астроном Жорж Леметр, а пропозицію, що первинна речовина була дуже гарячою, вперше висловив Георгій Антонович Гамов в 1946 р. Згодом цю гіпотезу підтвердило відкриття так званого реліктового випромінювання. Воно залишилося як відлуння бурхливого народження Всесвіту, яке часто називають Великим Вибухом. Але залишається безліч питань. Що привело до утворення нині спостережуваного Всесвіту, до початку Вибуху? Чому простір має три вимірювання, а час одне? Як у Всесвіті, що стрімко розширюється, змогли з'явитися стаціонарні об'єкти – зірки і галактики? Що було до початку Великого Вибуху? Над пошуками відповідей на ці та інші питання працюють сучасні астрономи і фізики.

У 1922 р. німецький журнал надрукував статтю радянського фізика Фрідмана, в якій він аналізував космологічну теорію Ейнштейна. Фрідману вдалося показати, що речовина у Всесвіті не може знаходитися в стаціонарному стані, і Всесвіт з часом змінюється. Можливі три варіанти розвитку Всесвіту: закритий, відкритий, пульсуючий.

Існують три ери розвитку Всесвіту:

*ера лептонів
*ера випромінювання
*ера речовини.

Випромінювання, що виникло на ранніх етапах розвитку Всесвіту, мусить і зараз знаходиться в ньому у вигляді фонового космічного (реліктового) випромінювання. Сценарій утворення і розвитку Всесвіту підтверджується такими спостереженнями:

*Наявність реліктового випромінювання як своєрідне відлуння моменту відриву випромінювання від речовини.
*Відсотковий вміст гелію у речовині, що відповідає розрахунковому за Теорією Великого Вибуху (25 % гелію і 75 % водню).
*Однорідність та ізотропність простору у великих масштабах (100 Мпк).
*Наявність неоднорідностей у невеликих масштабах як наслідок флуктуацій щільності речовини на початку Всесвіту.
*Співвідношення між випромінюванням і речовиною (між кількістю фотонів і окремих частинок).