Наша звездная система галактика физика кратко
Обновлено: 05.07.2024
Английский ученый Вильям Гершель первым указал правильный путь, состоящий в подсчете звезд в малых избранных участках неба. Гершель предполагал, что все звезды подобны Солнцу не только по своей природе, но и по светимости. В его время, на рубеже XVIII и XIX вв., параллаксы и светимости звезд были еще неизвестны. Если бы все звезды были одинаковой светимости и их плотность в пространстве была бы везде одинакова, то, переходя к звездам на одну видимую звездную величину, то есть в 2,512 раза более слабым, мы переходили бы к объему сферы с радиусом, в корень(2,512) = 1,6 раза большим. А ее объем и, следовательно, число звезд в ней должны быть тогда в 4 раза больше предыдущего. Но фактический подсчет показывает, что в разных направлениях этот прирост разный, и с ослаблением блеска звезд он уменьшается. Можно было бы думать, что мы находимся в центре звездной Вселенной, плотность звезд в которой убывает по всем направлениям.
В действительности дело гораздо сложнее, так как у звезд разная светимость, число звезд разной светимости неодинаково, да еще существует ослабление света звезд межзвездной космической пылью. Оно тем больше, чем звезда дальше от нас, и по разным направлениям различно. В. Я. Струве впервые обнаружил это поглощение света и доказал, что с приближением к светлой полосе Млечного Пути плотность звезд в пространстве растет. Полоса Млечного Пути опоясывает все небо по большому кругу. Значит, мы находимся вблизи его плоскости, которую называют галактической. В Млечном Пути наблюдаются отдельные облакообразные сгущения. Отчасти это обусловлено реальным облакообразным расположением слабых (т. е. далеких) звезд, из которых он состоит, отчасти тем, что местами его закрывают облака космической пыли. Такое темное облако можно заметить около звезды Денеб в созвездии Лебедя. Как раз в этом созвездии начинается раздвоение Млечного Пути на две ветви, соединяющихся в южном полушарии неба. Это раздвоение кажущееся. Оно вызвано скоплением космической пыли, заслоняющей часть самых ярких мест Млечного Пути, находящихся в созвездиях Скорпиона и Стрельца.
Постепенно выяснилось, что звезды Млечного Пути — это основная часть нашей сильно сплющенной Галактики. Дальше всего от центра, находящегося в направлении созвездия Стрельца, Галактика тянется вблизи плоскости Млечного Пути, и в этом направлении мы видим больше всего далеких, т. е. слабых, звезд. В перпендикулярном направлении плотность звезд падает, следовательно, в этом направлении Галактика простирается не так далеко.
Иногда неудачно говорят, что Млечный Путь — это и есть наша Галактика. Млечный Путь — это видимое нами на небе светлое кольцо, а наша Галактика — это пространственная звездная система. Большинство ее звезд мы видим в полосе Млечного Пути, но ими она не исчерпывается. В Галактику входят звезды всех созвездий.
Контуры Галактики были намечены по расположению в пространстве сверхгигантов, которые можно видеть до наиболее далеких расстояний. Это цефеиды и горячие сверхгиганты. Оказалось, что в центре Галактики находится ее ядро, огромное уплотненное скопление звезд диаметром 1000—2000 пс. Оно расположено от нас на расстоянии почти 10 000 пс (30 000 световых лет) в направлении созвездия Стрельца, но почти целиком скрыто от нас завесой облаков космической пыли. В состав ядра Галактики входят красные гиганты и короткопериодические цефеиды. Они называются населением II типа, или старыми звездами. Сверхгиганты и цефеиды классические составляют более молодое население I типа. Оно располагается дальше от центра и образует сплющенную систему. Среди звезд этой сплющенной системы в форме тонкого диска расположена пылевая материя.
Галактика – это гигантская система, состоящая из миллиардов звёзд и их скоплений, газа, пыли, магнитного поля и космических лучей.
Типы галактик: эллиптические, спиральные, неправильные.
Активные галактики – галактики, в которых наблюдается этап бурных эволюционных процессов, сопровождающихся образованием новых структур и повышением излучения во всех диапазонах.
Радиогалактики – галактики, мощность радиоизлучения которых становится того же порядка или больше, чем оптическое.
Квазар – ядро галактики с мощностью излучения в миллиарды раз больше солнечной светимости.
Красное смещение в спектрах галактик – явление, заключающее в том, спектры света галактик смещены в сторону их красного конца.
Закон Хаббла: скорость удаления галактик прямо пропорциональна расстоянию между ними.
Основная и дополнительная литература по теме урока
1.Г.Я. Мякишев, Б.Б. Буховцев, В.М. Чаругин. Физика.11 класс. Учебник для общеобразовательных организаций М.: Просвещение, 2017. С. 366 -373
2. А.С. Лабузов. Наблюдение галактик, туманностей и звёздных скоплений. М.: Физматлит. 1993.
3.Е. В. Лукашева, Н. И. Чистякова, ЕГЭ 2018. Типовые тестовые задания от разработчиков ЕГЭ.
Основное содержание урока
Наблюдая за звёздным небом, люди давно заметили светло – дымчатую полосу, пролегающую по всему небу. До нас дошло греческое название этой полосы из мифов – Млечный Путь. В своих догадках древнегреческий философ Демокрит считал, что Млечный Путь - это множество далёких звёзд.
Г. Галилей, наблюдая Млечный Путь впервые из астрономов в телескоп, установил, что действительно, Млечный Путь усеян огромным количеством маленьких звёздочек. Следующим астрономом, сделавшим значительный вклад в изучение Млечного Пути, стал
В. Гершель. Он установил, что Солнечная система находится в Млечном Пути.
В наблюдениях за звёздным небом астрономами были открыты многочисленные звёздные скопления и газопылевые облака. Дальнейший анализ этих звёздных скоплений показал, что большинство из них находятся за пределами нашей Галактики. На сегодняшний день число открытых таких же галактик, как Млечный Путь, исчисляется миллиардами.
Все галактики относятся всего лишь к трём классам:
Эллиптические галактики представляют из себя звёздные скопления, образующие структуру, подобную шару или эллипсоиду. Из общего числа галактик к эллиптическим относятся примерно 25%. Яркость и плотность эллиптической галактики уменьшается от центра к периферии. Масса галактик этого вида может достигать 10 13 масс Солнца.
Примерно 70% галактик относятся к спиральным галактикам. Спиральные галактики представляют из себя плоскую вращающуюся структуру с ядром и ветвями. Разновидностью спиральной галактики является галактика с перемычкой в ядре, с концов которой начинаются ветви. Помимо множества звёзд в ветвях галактик этого вида содержится много газа и пыли, а также звёзд класса О и В. Наша Галактика и ближайшая к нам галактика Андромеды относятся также к спиральным галактикам. Масса спиральных галактик может составлять от 10 10 до 10 12 масс Солнца.
Небольшую группу (5% от общего числа) образуют неправильные галактики. У этих галактик нет ядра и выраженной структуры. К неправильным галактикам от носятся ближайшие к Млечному Пути Большое Магелланово Облако и Малое Магелланово Облако.
Галактики, радиоизлучение которых превышает мощность видимого излучения, называются радиогалактиками.
Существует класс галактик, которые пребывают в активной фазе своей эволюции, сопровождающейся выбросами очень больших масс вещества из ядра. Такие галактики называются активными. Большой мощностью радиоизлучения отличаются квазары. Эти образования, подобные звездам, находятся в ядрах галактик. Имея размеры всего лишь в десятки раз больше размеров Солнечной системы, квазары излучают энергию (видимого излучения и всех других видов излучения) в 10 12 светимостей Солнца. Для выделение такой громадной энергии требуется источник. В ядрах галактик таким источником является реакция постепенного захвата массивной черной дырой ближайших звёзд.
Помимо одиночных галактик существуют скопления галактик. В частности, Млечный Путь, галактика Андромеды, Малое и Большое Магеллановы Облака образуют местную группу галактик, которые связаны тяготением и движутся вокруг единого центра масс. В настоящее время известны тысячи скоплений галактик, в которых содержатся тысячи галактик.
Анализ спектров света галактик показал, что что все линии спектра смещены в сторону его красного конца, т.е. длина волны всех линий в составе спектра увеличивается. Из формулы эффекта Доплера следует, что это может быть обусловлено удалением источников света от точки наблюдения. Чем больше скорость, тем больше красное смещение и наоборот. Дальнейшие расчёты, сделанные Э.Хабблом показали, что наблюдаемая скорость удаления галактик прямо пропорциональна расстоянию до них. Этот факт можно сформулировать по-другому: галактики удаляются друг от друга с увеличивающейся скоростью.
Разбор тренировочных заданий
1. Приведены имена ученых в произвольном порядке.
Э. Хаббл; В. Гершель; Демокрит; Г. Галилей.
Расположите имена учёных в хронологическом порядке.
На первое место, конечно, поставим Демокрита. Во всех смыслах – первый.
Ещё почти 2 тысячи лет после античных времён астрономы продолжают смотреть в небо невооружённым глазом (или глазами). Пока первым Г. Галилей не воспользуется телескопом. Затем, используя наиболее совершенный телескоп того времени, В. Гершель обследует нашу Галактику – Млечный Путь.
Ну и напоследок, Э. Хаббл, чьи основные открытия пришлись на начало XX века.
Ответ: Демокрит, Г. Галилей, В. Гершель, Э. Хаббл
2.Соедините соответствующие элементы на рисунке
1.Первую пару элементов получим, если вспомним, что земной год, т.е. периодвращения Земли вокруг Солнца равен 365,25 суток.
2.Вспомним, что радиус Солнца равен 700000км, а скорость точек на экваторе Солнца равна 2км/с. Найдём время, за которое Солнце (точнее,точка экватора) совершит полный оборот
3. Таким образом, гигантское время 200 млн. лет - период вращения Солнца вокруг центра Галактики.
Млечный Путь
Млечный путь — наша Галактика представляет собой гигантскую спиральную галактику, заполненную звездами, звездными скоплениями, газом и пылью.
Вместе с другими галактиками она является одним из крупнейших образований Вселенной.
Какие же выводы о прошлом, настоящем и будущем видимой Вселенной можно сделать, исследуя галактики.
При наблюдениях звездного неба вдали от крупных городов на нем в безлунную ночь хорошо видна широкая светящаяся полоса — Млечный Путь.
Свое название Млечный Путь получил от древнегреческих мифов.
Согласно одному из них Млечный Путь — это молоко, которое будто бы младенец Геркулес пролил, когда его кормила богиня Гера.
Действительно, белесая полоса Млечного Пути напоминает пролитое молоко.
Г. Галилей в конце 1610 г., наблюдая Млечный Путь в телескоп, установил, что он состоит из колоссального множества очень слабых звезд; его звездная структура хорошо видна даже в обычный бинокль.
Млечный Путь тянется серебристой полосой по обоим полушариям, замыкаясь в звездное кольцо.
Наблюдения установили, что все звезды образуют огромную звездную систему, названную Галактикой (от греческого слова галактикос — молочный), подавляющее большинство звезд которой сосредоточено в Млечном Пути.
Солнечная система входит в состав Галактики.
От созвездия Лебедя до созвездия Центавра Млечный Путь выглядит раздвоенным.
Отсутствие звезд в темной части Млечного Пути объясняется наличием разреженной темной пылевой и газовой материи, концентрирующейся в пространстве к галактической плоскости.
Эта материя поглощает и ослабляет свет далеких звезд.
Газ и пыль в Галактике распределены очень неоднородно.
Помимо разреженных пылевых облаков, наблюдаются плотные темные облака пыли.
Когда эти плотные облака освещены яркими звездами, они отражают их свет, и тогда мы видим отражательные туманности, как те, что видны в скоплении звезд Плеяды.
Если около газопылевого облака имеется горячая звезда, то она возбуждает свечение газа, и тогда мы видим диффузную туманность, примером которой служит Туманность Ориона.
Примером диффузных туманностей особого типа служат планетарные туманности, названные так по тому как они выглядят в телескоп — похожие на планетные диски.
Ярким примером планетарной туманности является туманность Кольцеобразная в созвездии Лиры.
Исследования распределения звезд, газа и пыли показали, что наш Млечный Путь — Галактика представляет собой плоскую систему, имеющую спиральную структуру.
В Галактике около 100 млрд звезд.
Среднее расстояние между звездами в Галактике около 5 св. лет.
Но в центре Галактики, в ее ядре плотность звезд значительно выше и расстояния между звездами в сотни раз меньше, чем среднее.
Центр Галактики, который расположен в созвездии Стрельца, скрыт от нас большим количеством газа и пыли, поглощающих свет звезд.
Но в инфракрасном диапазоне, излучение которого газ и пыль поглощают плохо, ядро Галактики видно хорошо.
Мы находимся внутри Галактики, поэтому нам трудно представить ее внешний вид, но во Вселенной есть много других похожих галактик и по ним мы можем судить о нашем Млечном Пути.
В спиральной галактике Водоворот и галактике Сомбреро темная полоса обусловлена наличием газа и пыли, которые концентрируются в плоскости галактики, как и в Млечном Пути.
Галактика вращается.
Солнце, находящееся на расстоянии около 8 кпк (26 000 св. лет) от центра Галактики, обращается со скоростью около 220 км/с вокруг центра Галактики, совершая один оборот почти за 200 млн лет.
Внутри орбиты Солнца сосредоточена материя массой около 10 11 M, а полная масса Галактики оценивается в несколько сотен миллиардов солнечных масс.
В настоящее время астрономы тщательно изучают центр нашей Галактики.
Именно его свойства, процессы, в нем происходящие, определяют структуру всей Галактики.
Наблюдения за движением отдельных звезд около центра Галактики показали, что там, в небольшой области с размерами, сравнимыми с размерами Солнечной системы, сосредоточена невидимая материя, масса которой превышает массу Солнца в 2 млн раз.
Это указывает на существование в центре Галактики массивной черной дыры.
Кроме звезд, газа и пыли, наша Галактика заполнена космическими лучами (релятивистскими частицами) — протонами, электронами и ядрами атомов других химических элементов, которые движутся со скоростями, близкими к скорости света.
Под действием магнитного поля, которое тоже пронизывает всю Галактику, космические лучи двигаются по запутанным траекториям, не покидая Галактику.
Релятивистские электроны космических лучей, двигаясь в магнитном поле, излучают радиоволны.
Это радиоизлучение астрономы исследуют с помощью радиотелескопов, изучая распределение магнитного поля и космических лучей в Галактике.
Мы узнали, что серебристая полоса Млечного Пути представляет собой гигантскую спиральную галактику, что газ и пыль скрывают от нас центр Млечного Пути, где спрятана массивная черная дыра и все звезды, звездные скопления, газ и пыль обращаются вокруг этого центра.
Даже из самых общих наблюдений неба можно заключить, что Солнце находится среди множества звезд, наибольшее количество которых расположено в направлении Млечного Пути. В стороны от его светлой полосы звезд гораздо меньше. Звезды Млечного Пути и видимые отдельно от него образуют единую звездную систему.
Основы наших знаний о строении нашей звездной системы и расположении звезд в ней заложил В. Я. Струве. В настоящее время благодаря трудам многих астрономов, в частности российских ученых — П. П. Паренаго и других, известно, что эта грандиозная система — Галактика (что в переводе с греческого языка означает ‘Млечный Путь’) — заключает в себе около 150 млрд.звезд.
По своей форме Галактика представляет собой чечевицу, или ее можно уподобить двум тарелкам, сложенным вместе. Какой вид имела бы вся эта звездная система с очень большого расстояния? С одной стороны мы увидели бы светлую полоску с некоторым утолщением в середине. Если бы мы посмотрели на эту звездную систему с другого направления (вид плашмя), то увидели бы светлое пятно с округлыми очертаниями, более яркое к центру.
Центр — это ядро Галактики. Основная масса звезд, образующих Галактику, расположена вблизи ее главной плоскости. Чем дальше от этой плоскости и чем дальше от центра Галактики, тем реже расположены звезды.
Звезды в нашей Галактике сгруппированы местами в сравнительно тесные скопления. Наиболее яркие и массивные звезды, а также большинство туманностей располагаются вблизи той плоскости, о которой мы говорили выше. Наша солнечная система находится вблизи этой плоскости, но очень далеко от центра Галактики. Все звезды в Галактике движутся вокруг общего центра тяжести, в котором, однако, нет какого-нибудь гигантского солнца. Этот центр тяжести образуется огромным скоплением звезд в ядре Галактики. Вокруг него и совершается движение всех звезд, в том числе и Солнца.
В направлении центра Галактики пространство между звездами заполнено многочисленными темными туманностями. Свет очень далеких звезд поглощается этой межзвездной средой и значительно ослабляется. Если бы этих темных туманностей но было, центральные области Галактики сияли бы чрезвычайно ярко.
Применяя особые способы фотографирования этих областей неба в невидимых глазу инфракрасных лучах, российские ученые сфотографировали гигантское звездное облако, образующее центральное сгущение в Галактике — ее ядро.
Наша солнечная система описывает вокруг центра Галактики огромный путь со скоростью около 250 км/сек с периодом в 185 млн. лет.
Какое место занимает наша солнечная система в Галактике?
Научные исследования с полной достоверностью показали, что место, занимаемое Солнцем среди звезд в Галактике, достаточно скромное: Солнце — рядовая звезда среди десятков миллиардов ему подобных; оно расположено вдвое дальше от центра Галактики, чем от ее края.
Центральные области Галактики видны нам в направлении созвездия Стрельца, и расстояние от нас до этих областей около 23 тыс. световых лет. От одного же края Галактики до другого луч света проходит почти за 85 тыс. световых лет. Это и есть диаметр Галактики — нашей звездной системы
Читайте также: