Галактики
Переменные звёзды - Цефеиды регулярно становятся ярче и тусклее с периодом в несколько недель или месяцев. Наблюдая Цефеиду, мы можем оценить, сколько энергии она излучает в пространство. Мы также измеряем, сколько энергии мы получаем реально. Пользуясь законом обратных квадратов, мы находим, как далеко от нас эта звезда.
В 1919 году молодой астроном Хаббл измерил расстояние до Цефеиды в туманности Андромеды. Оно оказалось равным 2 миллионам световых лет (световой год - light-year ly – это расстояние, которое свет проходит за год, или 9.467;1015 м), далеко за границами нашей галактики – Млечного Пути. Так, одним наблюдением, он установил один из самых важных фактов о нашей вселенной: она состоит из миллиардов галактик, из которых наш Млечный Путь – только одна.
Каждая из этих бесчисленных галактик является совокупностью от миллионов до сотен миллиардов звёзд, вместе с газом, пылью и другими материалами, удерживаемыми вместе силой тяготения. Это было начало космологии – новой науки, изучающей структуру и историю целой вселенной.
Типы галактик
Наш Млечный Путь типичная спиральная галактика. Это плоский диск диаметром около 100,000 световых лет. Его ядро содержит сотни миллиардов звёзд, более половины звёзд нашей галактики. Яркие районы –спиральные рукава – показывают области, где формируются новые звёзды. На картинке наша галактика находится близко к центру, чуть левее и выше. Около 75% ярких галактик – спиральные. Другие галактики – эллиптические – содержат больше звёзд, чем спиральные галактики. Эллиптическими являются около 20% ярких галактик. Имеются также довольно тусклые нерегулярные и карликовые галактики, которые трудно заметить. Чем больше мы смотрим, тем больше галактик мы видим – около 100 миллиардов галактик, каждая с бесчисленными звёздами.
В почти всех галактиках, которые мы знаем, процесс образования и смерти звёзд происходит постоянно и упорядоченно. Но небольшое число галактик – примерно 10,000 из известных миллиардов – совсем другие. О них говорят как об активных галактиках. Из этих необычных объектов наиболее эффектно выглядят квазары (квази-звёздные источники радиоволн). Это дикие, взрывающиеся, неистовые объекты, изливающие каждую секунду в пространство огромную энергию из активного центра размером не больше, чем наша солнечная система. Астрономы считают, что единственная возможность генерировать такую энергию – это если в центре квазара находится огромная чёрная дыра с массой в миллионы раз больше, чем масса Солнца, и если энергия генерируется огромной массой, падающей в эту чёрную дыру. Поскольку квазары так ярки, они являются самыми удалёнными объектами, которые мы видим во вселенной.
Красное смещение
Жорж Леметр – бельгийский астроном. Он был первым, кто предложил теорию расширяющейся вселенной – достижение, ошибочно приписанное Эдвину Хабблу. Он также первым вывел закон, называющийся сейчас законом Хаббла, и сделал первую оценку постоянной, которая называется сейчас константой Хаббла. Он опубликовал свою статью в 1927 году, за два года до Хаббла. Леметр также предложил теорию возникновения вселенной, которая известна как Биг Банг теория – Теория Большого Взрыва.
Когда мы исследуем свет из ближайших галактик, мы видим, что спектр излучения различных элементов кажется смещённым к красному (длинноволновому) концу спектра. Леметр, а затем Хаббл интерпретировали это красное смещение как эффект Допплера. Это значит, что ближайшие галактики удаляются от Земли. Более того, Леметр и Хаббл заметили, что далёкие галактики удаляются от нас быстрее: V = Hd, гдe V – скорость галактики, d – расстояние от неё, a H – константа Хаббла.
Этот закон утверждает, что мы можем найти расстояние до галактики, измеряя красное смещение, независимо от того, видим ли мы отдельные звёзды. Сейчас мы принимаем значение H = 70 км/(с;Mpc), где Mpc=мегапарсек=3.3;106 ly. Мы можем интерпретировать это – если бы галактика удалялась от Земли до её нынешнего положения с постоянной скоростью V, для этого потребовалось бы время t = d/V = 1/H. Tаким образом, эта константа даёт грубую оценку времени, в течение которого происходит расширение вселенной, то-есть возраста вселенной. Это даёт возраст вселенной около 14 миллиардов лет.
Красное смещение даёт финальную оценку шкалы астрономических расстояний. Мы оцениваем размер наблюдаемой вселенной - примерно 10 Mpc, или 3.3;107 ly, or 3;1020 км.
Структура вселенной как целого (см. рисунок: возможно, одна сторона – материя, другая - антиматерия)
Mы видим, что большинство галактик собраны в группы и кластеры, многие из которых сгруппированы в суперкластеры. Взятые вместе, они дают очень странную картину вселенной. Мы видим все наблюдаемые объекты в двух противоположных секторах круга. Центр этого круга – точка, где скорость галактик равна нулю. Скорость всех галактик линейно растёт с расстоянием от этой точки и направлена от неё. Леметр и Хаббл сделали следующий вывод из этих данных: Вселенная родилась в определённое время в прошлом и расширялась с этого времени. Вы можете увидеть отсюда, что в некоторый момент в прошлом вселенная должна была родиться как очень малый объект. Она родилась бесконечно горячей и с бесконечно большой концентрацией энергии и с тех пор расширялась. Эта теория называется теорией Большого Взрыва (Биг Банг).
Сейчас Биг Банг теория разработана и принята повсюду. После начального Большого Взрыва материя с некоторыми свойствами попала в один сектор, с другими свойствами (возможно, антиматерия) – в противоположный сектор. Такую концентрацию энергии, какая была в начальной точке, мы можем вообразить только в самых больших чёрных дырах. Значит ли это, что наша вселенная родилась как результат взрыва гигантской чёрной дыры?
Добавочные факты, поддерживающие Биг Банг теорию:
1. Универсальное расширение в определённых направлениях со скоростями, пропорциональными расстоянию от общего центра.
2. Космическое микроволновое остаточное излучение, соответствующее температуре 2.7oK.
3. Изобилие лёгких элементов во вселенной. Результатом Биг Банга могли быть только ядра водорода, гелия и лития. Все остальные элементы родились позже, в звёздах.
Пока вселенная охлаждалась после горячего Биг Банга, в ней появлялись всё новые и новые свойства:
10-43 с– конец неразличимости всех сил.
10-35 с – конец неразличимости ядерных и электрических/слабых сил. В это же время: Распространение: очень быстрое расширение вселенной от размера, меньшего, чем размер протона, до размера яблока. Разделение материи и антиматерии.
10-10 с – конец неразличимости электромагнитных и слабых сил. Это состояние воспроизводится в физических лабораториях.
10-5 с – элементарные частицы.
3 мин. – ядра атомов стали устойчивыми.
Несколько сот тысяч лет – атомы стали устойчивыми.
Galaxies
Cepheid variable stars show a regular behavior of steady brightening and dimming
over a period of weeks or months. We can watch a Cepheid for a while and deduce how much energy it is pouring into space. Together with knowledge, how much energy we actually receive, it tells us how far away it is.
In 1919, a young astronomer Hubble measured the distance to a Cepheid, located in the Andromeda nebula, and found it equal to 2 million light-years (a light-year ly is a distance that the light goes in one year, or 9.467;1015 m), far outside the bounds of the Milky Way.
With a single observation, he established one of the most important facts about our universe: it is made of billions of galaxies, of which the Milky Way is but one.
These countless galaxies are an immense collection of millions to hundred of billions stars each, together with gas, dust, and other materials, held together by the forces of mutual gravitational attractions. New branch of science that studies the structure and history of the entire universe, cosmology, was set.
Kinds of galaxies
Milky Way is a rather typical spiral galaxy. It is a flattened disk about 100,000 ly across. A nucleus holds hundreds billions of stars, most of our galaxy. Bright regions – spiral arms – mark areas where new stars are formed. About 75% of the brighter galaxies are spiral. In the picture, our galaxy is close to center,a lettle upper and to left. Other galaxies – elliptical – have more stars than spiral galaxies and comprise about 20% of bright galaxies. There are also faint and therefore difficult to detect irregular and dwarf galaxies. The more we look, the more galaxies we see – perhaps 100 billion galaxies, each with countless stars.
Almost all galaxies that we know are galaxies, where the process of star formation and death goes on in a stately, orderly way. But a small number of galaxies – about 10,000 from billions known – are quite different and referred as active galaxies. The most spectacular of these unusual objects are quasars (quasi-stellar radio sources). They are wild, explosive, violent objects that pour vast amounts of energy into space each second from an active center no larger than our solar system. Astronomers suggest that the only way to generate this energy is for the center of a quasar to be occupied by an enormous black hole with a mass millions times greater than that of the Sun and for the energy to be generated by huge amounts of mass falling into this center. Because they are so bright, quasars are the most distant objects we can see in the universe.
Redshift
Georges Lema;tre was a Belgian astronomer. He was the first person to propose the theory of the expansion of the Universe, widely misattributed to Edwin Hubble. He was also the first to derive what is now known as the Hubble law and made the first estimation of what is now called the Hubble constant, which he published in 1927, two years before Hubble's article. Lema;tre also proposed what became known as the Big Bang theory of the origin of the Universe.
When we look at the light from nearby galaxies, we see that emission spectrum of different elements seemed to be shifted toward the red (long-wavelength) end of the spectrum. Lemaitre and then Hubble interpreted this redshift as an example of the Doppler effect. It means that distant galaxies are moving away from Earth. Furthermore, they noticed that the more distant a galaxy, the faster it moves away from us: V = Hd, where V is galaxy’s velocity, d is galaxy’s distance, and H is Hubble’s constant.
This law tells us that we can determine the distance to galaxies by measuring redshift, whether or not we can see individual stars. Now we accept value H = 70 km/(s;Mpc),
where Mpc=megaparsec=3.3;106 ly). We can interpret it – to notice that if a galaxy were to travel from the location of Milky Way to its present position with a velocity V, then the time for the trip would be t = d/V = 1/H. Thus, the constant provides a rough estimate of the time that the expansion has been going on, so of the age of the universe. This corresponds to an age of the universe of about 14 billion years.
The redshift is a final ruler in the astronomical distance scale. We estimate the size of observable universe about 10 Mpc, or 3.3;107 ly, or 3;1020 km.
The large scale structure of the universe (see picture: maybe one side matter, other - ntimatter)
Most galaxies seem to be clumped together into groups and clusters, many of which are grouped in superclusters. All superclusters together represent a very strange picture of our universe. We see all known objects in two opposite sectors of a circle. The center of the circle is the point, where galaxies velocity is equal to zero. Their velocity is directed away from this point and grows linearly with the distance from this point.
Lemaitre and Hubble made a conclusion from these data: The universe began at a specific time in the past, and it has been expanding ever since. You can see that in some point in the past the universe must have started out as a very small object. It started as infinitely hot and dense concentration of energy and has been expanding ever since. This theory is called Big Bang theory.
Now Big Bang theory is developed and widely accepted. After initial great blow-out, the matter with some features got in one sector, with other features (perhaps, antimatter) – in the opposite sector. Such a concentration of energy, as was in the initial point, we can imagine only in the biggest black holes. Does it mean that our universe appeared as a result of explosion of a gigantic black hole?
Additional facts support Big Bang theory:
1. The universal expansion in definite directions with velocities proportional to the distance from the common center.
2. The cosmic microwave background radiation, corresponding to temperature 2.7oK.
3. The abundance of light elements in the universe. The only nuclei that could be formed as result of Big Bang, are hydrogen, helium, and lithium. All other elements were formed later, in stars.
While the universe cooled down after hot Big Bang, new and new features appeared in it: 10-43 s – end of unification of all forces.
10-35 s – deunification of the strong and electroweak forces. At the same time:
a) Inflation: an extremely rapid expansion of the universe from size smaller than a proton to size of a grapefruit.
b) Separation of matter and antimatter.
10-10s – deunification of electromagnetic and weak forces. This state we can reproduce in our laboratories.
10-5 s – elementary particles: the quarks coalesced into the elementary particles.
3 min. – nuclei of atoms became stable.
Several hundred thousand years – atoms became stable.