Структура Млечного Пути

Структура Млечного Пути

В течение тысяч лет люди ломали голову над молочной полосой, которая простирается по всему небосводу. В современную эпоху Галилео Галилей обнаружил, что Млечный Путь состоит из множества звезд. Однако только в 20 веке астрономам удалось расшифровать его форму и истинную природу.

“Мое третье наблюдение касается природы Млечного Пути. Независимо от того, на какую его часть нацелен телескоп, можно обнаружить огромное количество звезд, некоторые из которых довольно большие и очень яркие. Тем не менее, количество малых звезд абсолютно непостижимо.” Эти слова были написаны в 1610 году Галилео Галилеем, который с помощью самодельного телескопа изучал неизведанные земли, не принадлежащие этому миру.

В своем труде, который носит название Sidereus Nuncius (“Звездный посланник”) итальянский математик и астроном описывает свои наблюдения за спутниками Юпитера, Луны Земли и Млечного Пути. До тех пор их природа оставалась загадкой и была предметом мифологии. Греческий философ Демокрит уже утверждал в V веке до нашей эры, что светящаяся полоса в небе состоит из бесчисленных слабых звезд.

После открытия Галилея пройдет почти 150 лет, прежде чем эта небесная структура снова станет предметом научных исследований. Томас Райт из графства Дарем считал, что звезды расположены в плоской области, похожей на точильный камень, который простирается по всему небу. Для него Млечный путь был не чем иным, как проекцией этого точильного камня. Немецкий философ Иммануил Кант ухватился за эту теорию, и был очень близок к открытию истины.

В своей общей естественной истории и теории небес, опубликованной в 1755 году, он объяснил Млечный путь как расширенный и очень разбавленный слой звезд. Солнце, Земля и все остальные планеты были частью этого слоя, но не в его центре. В зависимости от прямой видимости, вдоль плоскости слоя или вертикально, мы увидим разное количество звезд.

Со стороны Галактика выглядит как слегка изогнутое колесо. Она имеет диаметр около 100 000 и толщину 5000 световых лет. Вокруг центра-яркая сферическая выпуклость. (Credit: Helmut Rohrer)

Но каким же образом астрономы смогли выяснить, отражает ли кажущееся представление о Млечном Пути в небе его фактическую пространственную структуру? Звездная статистика, разработанная в конце XVIII века Фридрихом Вильгельмом Гершелем, предлагала решение: Гершель записал координаты и яркость всех звезд, которые он мог видеть через свой телескоп.

Однако затея провалилась: несмотря на то, что удалось определить видимую яркость, невозможно было определить их абсолютную светимость, а следовательно их расстояние. Кроме этого имелась также фундаментальная проблема: Млечный Путь заполнен межзвездным веществом, газовыми и пылевыми облаками, поглощающими свет от звезд. Это скрывает центральную область и делает невозможным увидеть всеобъемлющую структуру. По этой причине звездная статистика никогда не могла охватить систему в целом, а только область вокруг Солнца в радиусе около 10 000 световых лет. Прорыв произошел только в середине 20 века, когда астрономы научились смотреть на небо другими глазами – с помощью радиотелескопов.

Водород – самый распространенный элемент во Вселенной. В составе межзвездной материи нейтральный водород (H1) заполняет пространство между звездами и всего Млечного Пути. Это значит что распределение облаков водорода определяет форму всей системы, подобно тому как скелет формирует человеческое тело.

Но как увидеть этот космический “скелет”? Ответ дает нановселенная: в основном состоянии водорода направление спина атомного ядра и вращающийся вокруг него электрон являются антипараллельными. Если два атома водорода сталкиваются, направление спина ядра и электрона может быть перевернуто, чтобы оказаться параллельными друг другу. Спустя некоторое время они возвращаются в свое основное антипараллельное состояние.

Этот процесс высвобождает энергию, которая излучается в виде электромагнитной волны, которая лежит в радиодиапазоне электромагнитного спектра. Несмотря на чрезвычайно низкую плотность межзвездного вещества, атомы постоянно сталкиваются, заставляя H1-зоны светиться.

Это изображение центральной части Млечного Пути показывает зону 1000 x 500 световых лет. Оно было принято с радиотелескопом MeerKAT в Южной Африке, состоящим из 64 антенн. (Credit: SARAO)

Это излучение проникает сквозь пылевые завесы почти беспрепятственно и может быть зафиксировано радиотелескопами. Благодаря этому новому окну во Вселенную астрономы смогли открыть спиральную структуру Млечного Пути. Тем не менее, в 1970-х годах исследователи обнаружили, что водород сам по себе не является достаточным показателем морфологии галактики, потому что он менее сконцентрирован в спиральных рукавах, чем ожидалось. Поиски начались заново.

Важнейшим показателем оказались облака межзвездных молекул, распространяющих излучение в свете окиси углерода (CO). Теперь постепенно стало возможным усовершенствовать картину Млечного Пути.

Галактика (от греческого слова γάλακτος – молоко) представляет собой изогнутое колесо, диаметром 100 000 световых лет и толщиной 5000 световых лет. Ступица колеса с черной дырой в центре окружена сферической выпуклостью звезд с сигарообразной структурой, напоминающей перекладину. Примерно в 15 000 световых лет от центра простирается кольцо, которое также состоит из облаков пыли и газа, а также звезд. Галактика имеет несколько рукавов. Наша Солнечная система расположена в рукаве Ориона, в 26 000 световых годах от центра галактики.

Рукава галактики (Источник:  Wikipedia)

Система, которая содержит около 200 миллиардов солнц, окружена сферическим гало, содержащим тысячи шаровых звездных скоплений, и сферической областью, состоящей из очень тонкой водородной плазмы. Вся Галактика вращается, причем объекты ближе к центру вращаются быстрее, а объекты дальше от центра вращаются медленнее. Кривая этого дифференциального вращения показывает неровности, которые не могут быть объяснены только видимой массой. Предполагается, что причиной этого является невидимая темная материя. Кроме того, астрономы сталкиваются с еще одной проблемой: несмотря на вращение, спиральные рукава не раскручиваются, а сохраняют свою форму миллиарды лет. Одно из объяснений этому – ударные волны, которые распространяются по всей системе и уплотняют вещество в спиральных рукавах. Исследователи до сих пор озадачены тем, что вызывает эти волны плотности.

Источник: Max Planck Society 

Фото: philihappy.com