Массы галактик определяются на основании скоростей вращения



Массы галактик определяются на основании скоростей вращения

Панорама Галактики

Галактика Млечный Путь (или просто Галактика) — гигантская звёздная система, в которой находится Солнечная система, все видимые невооружённым глазом отдельные звёзды, а также огромное количество звёзд, сливающихся вместе и наблюдаемых в виде млечного пути.

Млечный Путь — одна из многочисленных галактик Вселенной. Является спиральной галактикой с четырьмя рукавами и перемычкой типа SBb по классификации Хаббла, и вместе с галактикой Андромеды (M31) и галактикой Треугольника (М33), а также несколькими десятками меньших галактик-спутников образует Местную группу галактик, которая, в свою очередь, входит в Сверхскопление Девы.

Массы галактик определяются на основании скоростей вращения

Компьютерная модель Галактики: вид «сверху»


Галактика Млечный Путь представляет собой огромную сплюснутую систему, симметричную относительно главной плоскости и состоящую из более чем 150 млрд. звёзд, разреженного газа, пыли и космических лучей. Поперечник Галактики составляет около 30 кпк (100 тыс. св. лет).

Важнейшими элементами структуры Галактики являются сферическая составляющая, центральное сгущение (балдж), звёздно-газово-пылевой диск, спиральные рукава (ветви).

Массы галактик определяются на основании скоростей вращения

Схема строения Галактики

В средней части Галактики находится утолщение (балдж), составляющее около 5 кпк в поперечнике. Центр Галактики при наблюдении из Солнечной системы проецируется в созвездие Стрельца.

В галактической плоскости сосредоточено большое количество межзвёздной пыли, благодаря которой свет, идущий от галактического центра, ослабляется в 1012 раз. Поэтому центр невидим в оптическом диапазоне. Галактический центр наблюдается в радио-, ИК, рентгеновском и гамма-диапазонах. Масса центрального скопления составляет примерно 109.

Строение Галактики



Ядра галактик являются центрами их конденсации и начального звёздообразования. Там должны находиться самые старые звёзды. По всей видимости, в самом центре ядра Галактики находится сверхмассивная чёрная дыра (Стрелец А*) массой около 3,7 × 106, что показано исследованием орбит близлежащих звёзд. По направлению к центру Галактики, а также по мере приближения к её плоскости звёздная плотность возрастает и в центре составляет 105–106 звёзд в пк3, при этом в окрестности Солнца звёздная плотность всего 0,12 пк–3.

Массы галактик определяются на основании скоростей вращения

Центр Галактики в ИК диапазоне

Звёздный диск содержит основное количество звёзд Галактики. В диске Галактики находится Солнце и практически все звёзды, наблюдаемые невооружённым глазом. В экваториальной плоскости диска концентрируются наиболее молодые объекты Галактики – звёзды ранних спектральных классов О и В, классические цефеиды, сверхновые второго типа, пыль и газ. Все эти объекты образуют наиболее тонкий диск (плоскую составляющую Галактики) толщиной 100–200 пк. Старые звёзды и связанные с ними планетарные туманности образуют более толстый диск. Толщина всего звёздного диска составляет 500–600 пк.

Массы галактик определяются на основании скоростей вращения

Рукава Галактики


Галактика относится к классу спиральных галактик, что означает, что у Галактики есть спиральные рукава (ветви), расположенные в плоскости диска. Именно в рукавах находятся наиболее молодые объекты (массивные концентрации газа и молодых звёзд) звёздного диска Галактики.

Сферическая составляющая включает старые звёзды и шаровые звёздные скопления, окружённые очень разреженным горячим слабо намагниченным газом. Гало Галактики — невидимый компонент Галактики сферической формы, который простирается за видимую часть Галактики. В основном состоит из разреженного газа, звёзд и тёмной материи. Последняя составляет основную массу Галактики.

Массы галактик определяются на основании скоростей вращения

Пузыри Ферми



В 2010-м году в результате наблюдений в гамма-диапазоне с помощью космического телескопа им. Ферми (Fermi Gamma-ray Space Telescope) над и под ядром Галактики открыты пузыри Ферми (названы в честь телескопа) – гигантские (диаметр каждого около 25 тыс. св. лет) области пространства, испускающие электромагнитное излучение в рентгеновском (ближе к ядру Галактики) и гамма-диапазонах (на периферии). Пузыри Ферми образуются в результате уменьшения длины волны излучения при рассеянии фотонов на движущихся электронах (обратное комптоновское рассеяние), выбрасываемых чёрной дырой, находящейся в ядре Галактики.


Пузыри Ферми


Солнце расположено в рукаве Ориона на 20–25 пк выше плоскости симметрии нашей Галактики и удалено от центра на расстояние 7,5–8 кпк (26000 св. лет). Для ориентации среди объектов Галактики принята галактическая система координат. Положение объектов в этой системе небесных координат задаётся галактическими долготой λ и широтой β.


Близкие к Солнцу звёзды движутся вместе с ним перпендикулярно к направлению на центр Галактики. Это движение является следствием общего вращения Галактики, скорость которого меняется с расстоянием от её центра (дифференциальное вращение). Такое вращение имеет следующие особенности:

1. Вращение происходит по часовой стрелке, если смотреть на Галактику со стороны её северного полюса.

2. Угловая скорость вращения убывает по мере удаления от центра. Однако это убывание медленнее, чем если бы вращение звёзд вокруг центра Галактики происходило по законам Кеплера.

3. Центральная часть диска в области балджа вращается почти твёрдотельно, и поэтому линейная скорость вращения растёт пропорционально расстоянию вплоть до максимального значения около 250 км/с.
br>
4. Солнце и звёзды в его окрестности совершают полный оборот вокруг центра Галактики примерно за 240–250 млн. лет. Орбитальная скорость Солнца равна 217 км/с.

5. Масса Галактики может быть оценена из условия, что движение объектов происходит по кривой, близкой к окружности. Из условия равенства центростремительного ускорения на расстоянии r = 15 кпк и гравитационного, обусловленного массой, заключённой внутри радиуса r, получаем массу Галактики:

Galaxy = v2r/G ≈ 3 × 1041 кг ≈ 1011.

Массы галактик определяются на основании скоростей вращения

Кривая вращения звёзд Галактики

Из всей видимой массы Галактики примерно 98% процентов приходится на массы звезд и около 2% – на газ, пыль и другие составляющие.

Таким образом, в результате наблюдений установлено, что звёзды вращаются вокруг центра Галактики с постоянной скоростью в большом диапазоне расстояний от центра галактики, причём гораздо быстрее, чем ожидалось, если бы они находились в потенциале Ньютона.

Проблема вращения галактик – это несоответствие между наблюдаемыми скоростями вращения материи в дисковых частях спиральных галактик и предсказаниями классической динамики, учитывающими только видимую массу. В настоящее время считается, что это несоответствие выдаёт присутствие «тёмной материи», которая пронизывает Галактику и простирается до галактического гало.





Согласно современным представлениям, Галактика образовалась примерно через 400 тыс. лет после Большого Взрыва из медленно вращавшегося газового облака, по своим размерам превосходившего её современные размеры в десятки раз. Первоначально оно состояло из смеси 75% водорода и 25% гелия (по массе) и почти не содержало тяжёлых элементов.

Эволюция Галактики


В течение примерно миллиарда лет это облако свободно сжималось под действием сил гравитации. Коллапс неизбежно привёл к фрагментации и началу процесса звёздообразования. Сначала газа было много, и он находился на больших расстояниях от плоскости вращения. Возникли звёзды первого поколения, а также шаровые скопления. Их современное распределение (гало) соответствует первоначальному распределению газа, близкому к сферическому.


иболее массивные звёзды первого поколения быстро проэволюционировали и обогатили межзвёздную среду тяжёлыми элементами (главным образом за счёт вспышек сверхновых). Та часть газа, которая не превратилась в звёзды, продолжала свой процесс сжатия к центру Галактики. Из-за сохранения момента количества движения, её вращение становилось быстрее, образовался диск, и в нём снова начался процесс звёздообразования. Второе поколение звёзд оказалось более богатым тяжёлыми элементами. Оставшийся газ сжался в более тонкий слой, в результате чего возникла плоская составляющая – основная область современного звёздообразования.


Концепция тёмной (или скрытой) материи (массы) (Cold Dark Matter) Вселенной основана на необходимости объяснения ряда наблюдаемых астрофизических эффектов: распределения скоростей звёзд в Галактике, гравитационного линзирования излучения удалённых объектов тёмными гало (сферическими составляющими) галактик, вириального парадокса, формирования крупномасштабной структуры Вселенной и др.

Скопления галактик обнаруживают следующую особенность: для многих из них масса, определённая по скоростям собственного движения галактик в скоплении, оказывается заметно больше массы, определённой по общей светимости галактик.

Массу скопления, определённую на основе теоремы вириала, называют вириальной. В соответствии с теоремой вириала для связанной стационарной системы, части которой взаимодействуют друг с другом по закону 1/r, кинетическая энергия такой системы равна половине модуля её потенциальной энергии.
br>
Для частицы массой m, обращающейся по круговой орбите вокруг центральной массы ℳ:

Eкин = ½|Eграв| = mv2/2 = Gℳm/(2R).

Если известны размер скопления R и дисперсия скоростей галактик v, то можно получить оценку вириальной массы скопления:

vt ≈ v2R/G.

Другой способ определения массы скопления состоит в том, что полную наблюдаемую светимость скопления умножают на стандартное отношение масса/светимость, найденное независимо для отдельных галактик. Такое отношение различно для галактик различных типов, но если известно, что в данном скоплении преобладают галактики какого-то определённого типа, то суммарную массу этих галактик таким способом действительно можно оценить.

Оказывается, что суммарная масса галактик меньше вириальной массы скопления (вириальный парадокс):

vt > ℳL.

Для разрешения вириального парадокса, объяснения кривых дифференциального вращения галактик и некоторых других явлений необходимо наличие в галактиках и их скоплениях значительных масс скрытого (тёмного, т.е. несветящегося) вещества. По современным данным средняя плотность наблюдаемого вещества составляет 3 × 10–31 г/см3, а средняя .
ости Вселенной. Примерно половину барионной материи составляют светящиеся объёкты (видимая материя) – звёзды, межзвёздные газопылевые облака, планеты. Тёмная барионная материя – это макроскопические объекты гало галактик (Massive Astrophysical Compact Halo Objects, MACHO): маломассивные звёзды (коричневые карлики), очень массивные юпитероподобные планеты, остывшие белые карлики, нейтронные звёзды и чёрные дыры.

Около 23% плотности Вселенной составляет тёмная материя, носители которой имеют небарионную природу. В зависимости от скоростей частиц различают горячую и холодную тёмную материю. Горячая тёмная материя состоит из частиц, движущихся с околосветовыми скоростями, по-видимому, из нейтрино. Холодная тёмная материя должна состоять из массивных медленно движущихся («холодных») частиц или сгустков вещества. Экспериментально такие частицы пока не обнаружены. В качестве кандидатов на роль холодной тёмной материи выступают слабо взаимодействующие массивные частицы (Weakly Interactive Massive Particles, WIMP): аксионы, фотино, гравитино и др. (дополнительно о тёмной материи см. в разделе 7.3.12).

Источник: www.physics.bsu.by

Вопрос от подписчика:


Добрый вечер. Как определяют массу галактики? Почему принято считать, что большую часть данной массы составляет неизвестная нам материя? Откуда мы знаем, что она там есть? Спасибо заранее.

Массы галактик рассчитываются исходя из их размеров, скорости вращения звёзд вокруг центра галактики (для спиральных галактик), массы и концентрации звёзд, взаимодействия между галактиками, а также многих других параметров, этот вопрос по хорошему достоин отдельной и долгой лекции.

Для введения тёмной материи, есть целый ряд причин, я приведу только пару самых простых. Во-первых наблюдения за взаимодействием и столкновениями галактик показывают, что видимой массы звёзд недостаточно, чтобы создать видимое ускорение галактик и разлёт звёзд при ударе. Это можно представить так: ожидается авария запорожцев, а видим столкновение белазов.

Во-вторых при существующих скоростях вращения звёзд и видимых массах галактик, центробежная сила просто разорвала бы галактики на отдельные звёзды, а этого не происходит. Но всё становится на свои места если увеличить массу галактик где-то в 6 раз, поэтому вводят тёмную материю, которая не светится, но всё притягивает.

Реально ли она существует, мы пока не знаем, экспериментальных подтверждений нет. Есть вероятность, что современная теория гравитации не полна, и нуждается в модификации, а тёмной материи не существует, хотя эта точка зрения и не популярна.

Ставьте палец вверх чтобы видеть в своей ленте больше статей о космосе и науке!

Подписывайтесь на мой канал здесь, а также на мой канал на youtube. Каждую неделю там выходят видео, где я отвечаю на вопросы о космосе, физике, футурологии и многом другом!

Источник: zen.yandex.ru

Независимо от размера и массы все дисковые галактики во Вселенной делают один полный оборот вокруг своей оси примерно за 1 миллиард лет. К такому выводу пришла группа астрофизиков из Международного центра радиоастрономических исследований (ICRAR) из Университета Западной Австралии. Как написано в пресс-релизе по результатам открытия, в этом смысле дисковые галактики можно сравнить с космическими часами.

В число дисковых галактик входят линзовидные и спиральные, как наш Млечный Путь или Галактика Андромеды неподалёку.

В соответствии с современной стандартной космологической моделью CDM (Cold Dark Matter), основные структурные и динамические свойства галактических гало (гало — сферический невидимый компонент галактики, состоящий в том числе из тёмной материи и содержащий основную массу галактики) и дисков (видимая часть) подчиняются простому вириальному масштабному соотношению. Эти свойства обычно определяются как радиус $R$, скорость вращения $V$ и масса $M$. Или, как вариант, яркость $L$ в качестве прокси для массы. Вириальный эквилибриум для гало соблюдается как $V$ к $R$ и к $M^{1over 3}$. Конечно, тёмная материя напрямую не наблюдается, однако масштабные соотношения наблюдаются через свойства барионов, хотя экспоненты в степенном законе этих соотношений не в точности соответствуют модели для гало.

Чаще всего на практике используется масштабное соотношение скорости и светимости, более известное как зависимость Талли — Фишера. Это эмпирически полученное соотношение, связывающее массу (светимость) спиральной галактики и скорость её вращения. Барионная физика очень сложна, она учитывает много факторов, которые могут повлиять и исказить все масштабные соотношения. Например, активное ядро галактики может перераспределить барионы, а в процессе затянуть в распределение барионов тёмную материю, из-за чего все вышеуказанные соотношения искажаются.

Хотя часто упоминается соотношение скорости вращения и светимости, но вот соотношению скорости вращения и радиуса до сих пор уделялось не так много внимания. Возможно, здесь ситуация усложняется трудностью в измерении радиуса по радиальной шкале.

В новой работе учёные применили для измерения масштабного соотношения для $R$ не радиальную шкалу, как в предыдущих работах, а внешний радиус галактики — и показали, что в этом случае наблюдается практически линейное соотношение $RV$.

Круговая скорость вращения соотносится с радиусом по всем наблюдаемым галактикам, которые отличаются по размерам и круговой скорости вращения в 30 раз: от карликовых неправильных галактик до гигантских спиральных.

Массы галактик определяются на основании скоростей вращения
Соотношение радиуса и круговой скорости на логарифмической шкале

Другими словами, все дисковые галактики действительно работают как часы, совершая оборот примерно за 1 миллиард лет, если измерять по самому краю их дисков.

«Обнаружение такой закономерности в галактиках помогает лучше понять механику их вращения — вы не найдете быстро вращающуюся плотную галактику, в то время как другая галактика такого же размера, но меньшей плотности вращается медленнее», — говорит профессор Герхардт Мейрер (Gerhardt Meurer) из Университета Западной Австралии.

Правда, исследователи делают оговорку, что для подтверждения этого универсального закона следует провести измерения по более широкому набору дисковых галактик, чтобы полностью исключить предвзятость при отборе.

Кроме того, учёные обращают внимание, что на внешней границе галактического диска находятся не только плотные скопления молодых звёзд и межзвёздного газа, но и большое количество намного более старых звёзд, смешанных с молодыми и межзвёздным газом. У галактического диска довольно чёткая граница. Зная скорость вращения, можно вычислить радиус и быстрее обнаружить эту границу.

Авторы научной работы говорят, что после долгожданного вступления в строй радиотелескопа Square Kilometer Array (SKA) в их распоряжение поступит огромный массив данных о галактиках. Тогда точная наводка, где искать границы галактики, поможет при обработке этого большого количества информации.

Научная работа опубликована 9 марта 2018 года в журнале The Monthly Notices of the Royal Astronomical Society (doi: 10.1093/mnras/sty275, pdf).

Источник: habr.com

Галактики

Часть Вселенной, видимая в настоящее время с помощью приборов называется Метагалактикой. По современным представлениям, она имеет диаметр около 100 млн. световых лет, возраст Метагалактики — 15 млрд. лет, в нее входит 1022 звёзд.

Звёзды в Метагалактике образуют галактики (от греч. galaktikos — млечный) — это большие звёздные системы, в которых звёзды связаны силами гравитации. Предположение о том, что звёзды образуют галактики, впервые высказал немецкий философ Иммануил Кант в 1755 г. в своей «Всеобщей естественной истории и теории неба».

Галактики содержат триллионы звёзд, их радиус достигает десятков тысяч парсек. Однако встречаются среди галактик и карликовые. Они в несколько раз меньше по размерам и массе. Первые семейства карликовых галактик были открыты в 30- е годы XX в. Американский астроном X. Шепли обнаружил два слабых скопления звёзд в созвездии Скульптора (южное полушарие неба). Они не принадлежали к нашей Галактике и оказались карликовыми звёздными системами. Карликовые галактики состоят из очень старых звёзд небольшой массы и содержат мало пыли и газа.

Практически во всех галактиках, в том числе и карликовых, выделяется яркая центральная часть, называемая ядром. Яркость ядра объясняется высокой концентрацией звёзд. Однако суммарное число звёзд ядра составляет лишь несколько процентов от их общего числа в галактике. Активные ядра галактик часто отличаются усилением мощности инфракрасного и рентгеновского излучений.

Обычно галактики встречаются небольшими группами, содержащими по десятку членов, часто объединяющимися в обширные скопления сотен и тысяч галактик.

Наша Галактика входит в состав так называемой Местной группы, включающей в себя три гигантские спиральные галактики (наша Галактика, туманность Андромеды и туманность в созвездии Треугольника), а также более 15 карликовых эллиптических и неправильных галактик, крупнейшими из которых являются Магеллановы Облака.

Группы и скопления разнообразны по типам входящих в них галактик. Иногда в них входят только спиральные и неправильные, иногда — только эллиптические галактики, иногда же — и те, и другие.

В среднем размеры скоплений галактик составляют около 3 Мпк. В отдельных случаях диаметр их может превышать 10- 20 Мпк. Скопления делятся на рассеянные (неправильные или иррегулярные) и сферические (правильные или регулярные).

Рассеянные скопления не обладают правильной формой и имеют нерезкие очертания. Галактики в них весьма слабо концентрируются к центру. Примером гигантского рассеянного скопления может служить ближайшее к нам скопление галактик в созвездии Девы. На небе оно занимает примерно 120 кв. градусов и содержит несколько тысяч преимущественно спиральных галактик. Расстояние до центра этого скопления составляет около 11 Мпк.

Сферические скопления галактик более компактны, чем рассеянные, и обладают сферической симметрией. Их члены заметно концентрируются к центру. Примером сферического скопления является скопление галактик Е и So в созвездии Волос Вероники, содержащее очень много эллиптических и линзообразных галактик. Его диаметр составляет почти 12 градусов. В нём содержатся около 30 000 галактик ярче 19 фотографической звёздной величины. Расстояние до центра скопления составляет около 70 Мпк.

Все звёздные системы — галактики настолько далеки, что их тригонометрические параллаксы ничтожно малы и не подаются измерениям. Поэтому для определения расстояния до галактик применяют другие способы, точность которых не очень велика.

Обозначив расстояние до галактики через r, линейный диаметр — D, угловой диаметр — d”, легко вывести следующую формулу для определения диаметра галактики:

, где D и r выражены в парсеках, а d” — в секундах дуги.

Линейный диаметр ближайшей к нам галактики Туманности Андромеды не менее 40 кпк, т.е. превышает диаметр нашей Галактики.

Один из методов определения расстояния до галактики основан на определении видимых и абсолютных звёздных величин цефеид, новых и сверхновых звёзд, открываемых в других галактиках. По формуле можно вычислить расстояние до тех галактик, в которых обнаружены цефеиды, новые и сверхновые звёзды…

Смещение спектральных линий, наблюдаемое в различных частях какой-нибудь близкой к нам галактики, свидетельствует о том, что галактики вращаются. Периоды вращения внешних частей галактик оказываются порядка 108 лет. Центральные части галактик, как правило, вращаются с одной угловой скоростью, т.е. как твёрдые тела. Направление вращения спиральных галактик происходит, по- видимому, в сторону закручивания спиральных ветвей.

Массы галактик определяются на основании скоростей вращения внешних их частей. Для грубой оценки массы предполагается, что это вращение происходит по закону Кеплера. Если область галактики, расположенная на окраине (на расстоянии R от её центра), имеет линейную скорость вращения v, то центростремительное ускорение этой области будет. Приравниваем его к гравитационному ускорению, получаемому из закона всемирного тяготения , где М — масса ядра галактики:

отсюда найдём массу ядра галактики:

Зная, что масса всей галактики на один- два порядка больше массы её ядра, можно вычислить массу всей галактики. Например, масса ядра галактики в созвездии Андромеды порядка 1040 кг (примерно 1010 массы Солнца), а всей галактики — примерно в 100 раз больше (такова же примерно и масса нашей Галактики). Массы большинства наблюдаемых галактик заключены в пределах 109— 1012 масс Солнца. Если исключить карликовые системы, то среднее значение масс оказывается равным 1011 масс Солнца или 2•1044 г.

Очень различаются галактики по светимости. Галактики- сверхгиганты имеют светимости, в десятки миллиардов раз превышающие светимость Солнца, слабейшая же из известных галактик- карликов имеет светимость всего в 10% от светимости Солнца.

Для галактик выявлена определённая зависимость между массой и светимостью. У разных типов галактик отношение массы к светимости также различно. У спиральных и неправильных галактик отношение массы к светимости, выраженное в солнечных единицах, колеблется от 1 до 10. Для эллиптических галактик это отношение составляет несколько десятков. Следовательно, основная доля массы в галактиках приходится на звёзды поздних спектральных классов, для которых отношение массы к светимости больше единицы.

Обозначаются галактики обычно сокращенным названием каталога и номера, под которым они в нем зарегистрированы.

Например, туманность Андромеды в каталоге Мессье стоит под № 31, а в «Новом общем каталоге» Дрейера — под № 224. Поэтому она обозначается М 31 или NGC 224.

Источник: gect.ru


You May Also Like

About the Author: admind

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

Этот сайт использует Akismet для борьбы со спамом. Узнайте, как обрабатываются ваши данные комментариев.