Как происходит движение звезд в галактике кратко

Обновлено: 05.07.2024

Звезды в древности считались неподвижными друг относительно друга. Однако в XVIII в. было обнаружено очень медленное перемещение Сириуса по небу. Оно заметно лишь при сравнении точных измерений его положения, сделанных с промежутком времени в десятилетия.

Собственным движением звезды называется ее видимое угловое смещение по небу за один год. Оно выражается долями секунды дуги в год.

Например, пути, пройденные звездами за год (рис. 98), могут быть разные: а соответствующие им собственные движения одинаковые.

2. Компоненты пространственной скорости звезд.

Скорость звезды в пространстве можно представить как векторную сумму двух компонент, один из которых направлен вдоль луча зрения, другой перпендикулярен ему. Первый компонент представляет собой лучевую, второй — тангенциальную скорость. Собственное движение звезды определяется лишь ее тангенциальной скоростью и не зависит от лучевой. Чтобы вычислить тангенциальную скорость в километрах в секунду, надо выраженное в радианах в год, умножить на расстояние до звезды выраженное в километрах,

Рис. 98. Собственное движение лучевая тангенциальная и полная пространственная скорость звезды .

Рис. 99. Изменение видимого расположения ярких звезд созвездия Большой Медведицы вследствие их собственных движений: сверху — 50 тыс. лет назад; в середине — в настоящее время; внизу — через 50 тыс. лет.

и разделить на число секунд в году. Но так как на практике всегда определяется в секундах дуги, в парсеках, то для вычисления в километрах в секунду получается формула:

Если определена по спектру и лучевая скорость звезды то пространственная скорость ее V будет равна:

Скорости звезд относительно Солнца (или Земли) обычно составляют десятки километров в секунду.

Собственные движения звезд определяют, сравнивая фотографии выбранного участка неба, сделанные на одном и том же телескопе через промежуток времени, измеряемый годами или даже десятилетиями. Из-за того, что звезда движется, ее положение на фоне более далеких звезд за это время немного изменяется. Смещение звезды на фотографиях измеряют с помощью специальных микроскопов. Такое смещение удается оценить лишь для сравнительно близких звезд.

В отличие от тангенциальной скорости лучевую скорость можно измерить, даже если звезда очень далека, но яркость ее достаточна для получения спектрограммы.

Звезды, близкие друг к другу на небе, в пространстве могут быть расположены далеко друг от друга и двигаться с различными скоростями. Поэтому по истечении тысячелетий вид созвездий должен сильно меняться вследствие собственных движений звезд (рис. 99).

3. Движение Солнечной системы.

В начале XIX в. В. Гершель

установил по собственным движениям немногих близких звезд, что по отношению к ним Солнечная система движется в направлении созвездий Лиры и Геркулеса. Направление, в котором движется Солнечная система, называется апексом движения. Впоследствии, когда стали определять по спектрам лучевые скорости звезд, вывод Гершеля подтвердился. В направлении апекса звезды в среднем приближаются к нам со скоростью 20 км/с, а в противоположном направлении с такой же скоростью в среднем удаляются от нас.

Итак, Солнечная система движется в направлении созвездий Лиры и Геркулеса со скоростью 20 км/с по отношению к соседним звездам Задавать вопрос о том, когда мы долетим до созвездия Лиры, бессмысленно, так как созвездие не является пространственно ограниченным образованием. Одни звезды, которые сейчас мы относим к созвездию Лиры, мы минуем раньше (на огромном от них расстоянии), другие будут всегда оставаться практически так же далеки от нас, как и сейчас.

4. Если звезда (см. задачу 1) приближается к нам со скоростью 100 км/с, то как изменится ее яркость за 100 лет?

4. Вращение Галактики.

Все звезды Галактики обращаются вокруг ее центра. Угловая скорость обращения звезд во внутренней области Галактики (почти до Солнца) примерно одинакова, а внешние ее части вращаются медленнее. Этим обращение звезд в Галактике отличается от обращения планет в Солнечной системе, где и угловая, и линейная скорости быстро уменьшаются с увеличением радиуса орбиты. Это различие связано с тем, что ядро Галактики не преобладает в ней по массе, как Солнце в Солнечной системе.

Солнечная система совершает полный оборот вокруг центра Галактики примерно за 200 млн. лат со скоростью 250 км/с.

Астроном Алексей Расторгуев о скорости движения звезд, их сложных орбитах и их роли в исследовании галактик

Над материалом работали

доктор физико-математических наук, профессор кафедры экспериментальной астрономии физического факультета МГУ, заведующий отделения изучения Галактики и переменных звезд ГАИШ МГУ

Каждый из них обладает своей особой скоростью, не всегда направленной в сторону общего движения. Но, несмотря на это, движение конькобежцев, как и движение звезд, напоминает движение планет вокруг Солнца.

Аналогия между катком и галактикой имеет и слабые стороны. Прежде всего заметим, что скорость конькобежцев в общем всюду почти одинакова. В галактике скорости звезд в зависимости от расстояния звезды до центра звездной системы меняются по сложному закону. На катке нередко происходят столкновения конькобежцев, заканчивающиеся, как правило, вполне благополучно. В галактике столкновения звезд, практически говоря, невозможны. Расстояния между звездами так велики по сравнению с их размерами, что если бы в примере с катком выдержать относительный масштаб, пришлось бы удалить одного конькобежца от другого на несколько тысяч километров. Вот почему нас совершенно не пугает перспектива столкновения с другой звездой, хотя наше Солнце и несется в пространстве со скоростью 250 км/с. Подсчеты показывают, что одна звезда галактики может столкнуться с другой не чаще, чем один раз за 600000 триллионов лет.

Заметим, что при изучении движения звезд астрономы учитывают гравитационное взаимодействие между ними, а не только то действие, которое оказывает вся галактика на данную звезду. При этом, разумеется, надо учитывать не только общую массу галактики, но и распределение в ней вещества, т. е., иначе говоря, строение нашей звездной системы.

Опуская, естественно, все расчеты, связанные с определением орбит звезд в нашей галактике, укажем на некоторые полученные в этом направлении любопытные результаты.

Весьма возможно, что различие в движениях звезд вызвано различием их возраста и условиями происхождения.

Общая астрономия. Движение звёзд в галактиках и релаксация

Общая астрономия. Далекая Вселенная. Движение звёзд в галактиках и релаксация

Эллиптическая галактика представляет собой совокупность звезд, образующих единую систему, связанную общим тяготением звезд. Каждая звезда движется в общем поле тяготения системы и не испытывает действия никаких иных сил, кроме сил тяготения. Можно сказать, что звезда свободно падает в поле тяготения системы. Падая, таким образом, с какой-то высоты к центру системы по радиусу, она ускоряет свое движение, а когда достигает центральной области, то там, очевидно, не останавливается, а проскакивает центр и начинает затем удаляться от него к противоположному краю системы. Теперь движение происходит не с ускорением, а с замедлением (подобно движению камня, брошенного вертикально вверх), так как это движение направлено против силы тяготения, действующей, как всегда, в направлении к центру. Скорость звезды уменьшается по мере удаления от центра и, наконец, звезда останавливается на миг (как камень в высшей точке), ее скорость обращается в нуль.

Затем начинается обратное падение к центру, звезда достигает его и, минуя центр, возвращается вновь в положение, с которого началось ее падение, а затем этот цикл движения повторяется вновь и вновь. В звездной системе не действуют никакие другие силы, кроме сил тяготения, но система, тем не менее, не сжимается, а остается стационарной как целое. Это возможно потому, что каждая из звезд галактики совершает циклическое движение по своей орбите в пределах ограниченного объема между крайними точками, где скорость удаления звезды от центра системы обращается в нуль. Конечно, совсем не обязательно, чтобы орбита каждой звезды проходила точно через центр системы; орбиты звезд различны и кроме чисто радиальных возможны и эллиптические орбиты, подобные орбитам планет в Солнечной системе, но только менее круглые, гораздо более вытянутые. Все эти орбиты равномерно заполняют объем системы, создавая ее правильную сферическую или в той или иной степени эллипсоидальную, сплюснутую форму.

Так устроены эллиптические галактики и сферические подсистемы спиральных галактик. Диски спиральных галактик, и в частности, диск нашей Галактики, имеют много общего в динамике с Солнечной системой. Подобно планетам, все звезды диска движутся по почти круговым орбитам, на которых центробежные силы уравновешены силами тяготения. Отличие от Солнечной системы лишь в том, что силы тяготения создаются в галактиках не центральным телом (ядра галактик не очень массивны), а главным образом самими звездами их диска и сферической составляющей. Средние скорости движения звезд нашей Галактики как по вытянутым, так и по круговым орбитам составляют 100—300 км/с. В менее массивных галактиках они меньше, в более массивных больше, но всегда лежат в пределах от десятков до тысячи километров в секунду. Форма и внутреннее строение эллиптических галактик или сферических подсистем спиральных галактик слишком правильны и регулярны, чтобы их можно было целиком объяснить исходной формой и структурой протогалактического облака. Протогалактические облака были, скорее всего, клочковаты, рыхлы и не имели четких правильных границ.

Что же придало звездным системам их регулярное строение и форму? Конечно, это тоже результат действия сил тяготения — ведь иных сил в звездных системах нет. Давно известно, что силы тяготения всегда стремятся придать телам правильную, округлую форму; это определяет форму Солнца и других звезд, фигуры планет. Приближение к такой правильной форме и структуре подобно процессу релаксации в других физических системах — таких, как, например, газ атомов или молекул. Релаксация — это процесс приближения системы к равновесному состоянию. Релаксация в газе сопровождается установлением общей однородности распределения атомов или молекул в занятом ими объеме; она ведет к равновесному распределению случайных тепловых скоростей частиц. В термодинамике равновесное распределение частиц по скоростям получило название распределения Максвелла. Релаксация в газе осуществляется путем столкновений частиц друг с другом; при случайных столкновениях частиц их скорости изменяются и тем самым достигается максвелловское распределение. Звездные системы обнаруживают определенные признаки равновесного состояния. Кроме регулярной формы, на это указывает также распределение звезд по скоростям, которое, насколько можно судить по окрестности Солнца в нашей Галактике, напоминает распределение Максвелла.

Теория бурной релаксации, как, впрочем, и весь комплекс проблем, связанных с превращением протогалактики в звездную систему, остается еще недостаточно разработанной. Многое, однако, удалось выяснить не путем теоретических расчетов, а с помощью современных методов моделирования на крупных вычислительных машинах. Машина может по нашему заданию найти изменение со временем скорости и положения звезды в системе, выяснить на этой основе общее поведение системы в целом. Оказалось, что бесстолкновительной системе гравитирующих тел действительно свойственно стремление сферизоваться, принимать со временем все более сглаженную, регулярную форму. Это происходит за время, сравнимое с типичным периодом обращения звезды в системе. Замечательно, что результат справедлив для очень широкого многообразия исходных состояний системы, с которых при таком моделировании начинается машинный расчет.

Читайте также: