По ходу знакомства с окружающей нас Вселенной возникали новые области познания. Рождались отдельные направления исследований, постепенно складывавшиеся в самостоятельные научные дисциплины. Все они, разумеется, объединялись общими интересами астрономии, но сравнительно узкая специализация внутри астрономии все больше  и больше давала себя знать.

Данная работа посвящена одной из основных частей звездной астрономии – нашей Галактике.

Планета Земля принадлежит Солнечной системе, которая состоит из единственной звезды – Солнца и девяти планет с их спутниками, тысяч астероидов, комет, бесчисленных частичек пыли, и все это обращается вокруг Солнца. Поперечник Солнечной системы составляет примерно 13 109 км.

Солнце и Солнечная система расположены в одном из гигантских спиральных рукавов Галактики, называемой Млечным Путем. Наша Галактика содержит более 100 млрд. звезд, межзвездный газ и пыль, и все это обращается вокруг ее центра. Поперечник Галактики составляет примерно 100 000 световых лет (один миллиард миллиардов километров).

Когда ясной темной ночью мы всматриваемся в бескрайние просторы Вселенной, нашему взору предстает широкая белесая полоса, пересекающая звездное небо. Древние греки, наблюдая небо, сравнивали эту полосу с пролившимся молоком и поэтому назвали ее «галаксиас», что значит молочный, млечный. Это название и легло в основу термина «галактика» – Млечный Путь. Особенно хорошо виден Млечный путь осенними ночами, когда он пересекает зенит и делит небо пополам. Он виден на небосводе обоих полушарий Земли, опоясывая небосвод по кругу, но, конечно, одним взглядом с Земли можно окинуть только половину этого кольца – остальная часть скрывается под горизонтом. Полоса Млечного Пути проходит по созвездиям: Возничего, Персея, Кассиопеи, Ящерицы, Цефея, Лебедя, Лисички, Стрелы, Орла, Щита, Змеи, Змееносца, Стрельца, Скорпиона, Жертвенника, Наугольника, Волка, Южного Треугольника, Циркуля, Центавра, Мухи, Южного Креста, Киля, Парусов, Кормы Компаса, Большого Пса, Единорога, Малого Пса, Ориона, Близнецов и Тельца. Как видим, этот круг включает в себя значительно больше созвездий, чем Зодиак, т.к. полоса Млечного Пути достаточно широкая. Наиболее широк Млечный Путь в созвездии Стрельца, в чем можно убедиться, взглянув на рисунок сентябрьского полуночного неба (см. рисунок слева). Именно в созвездии Стрельца находится центр Галактики (см. рисунок справа). Если посмотреть на Млечный Путь в телескоп, то становится ясно, что он состоит из множества слабых звезд, сливающихся в одно целое для невооруженного глаза. Что же представляет из себя Млечный Путь в просторах Вселенной?

История открытия

3вездная астрономия, т.е. раздел астрономии, изучающий строение звездных систем, возникла сравнительно недавно, всего два века назад. Раньше она не могла возникнуть,  так  как  оптические средства  исследования  Вселенной были  еще  крайне  несовершенны. Правда, высказывались разные умозрительные  идеи  о  строении звездного мира, подчас гениальные. Так, древнегреческий философ Демокрит  (460—370  г. до н.э.) считал Млечный  Путь  скопищем слабосветящихся звезд.  Немецкий ученый XVIII в. Иоганн Ламберт (1728—1777) полагал, что звездный мир имеет ступенчатое, иерархическое  строение:  меньшие системы звезд образуют большие, те, в свою очередь,  еще  большие  и  т. д., наподобие  известной  игрушечной «матрешки». И эта «лестница систем», по Ламберту, не имеет конца, т. е. подобная «структурная» Вселенная бесконечна. Но, увы, все такие идеи не подкреплялись фактами,  и  звездная  астрономия  как наука зародилась лишь в трудах Вильяма Гершеля (1738—1822), великого наблюдателя и исследователя звездной Вселенной.

За  свою  долгую жизнь он отшлифовал для телескопов около 430 телескопических зеркал, и среди них громадное зеркало диаметром 122 см и фокусным расстоянием 12 м. Гершелю стало доступно огромное множество  очень  слабых звезд, что  сразу  расширило  горизонты познания. Удалось выйти в глубины звездного мира.

Еще в 683 г. н.э. китайский астроном И. Синь измерил координаты 28 звезд и заметил их изменения по сравнению с более древними определениями. Это заставило его высказать догадку о собственном движении  звезд в пространстве. В 1718 г. Эдмунд Галлей на основании наблюдений Сириуса, Альдебарана и Арктура подтвердил эту гипотезу. К концу ХVIII в. стали известны собственные движения всего 13 звезд. Но даже по таким крайне бедным данным Гершелю удалось обнаружить движение нашего Солнца в пространстве.

Идея метода Гершеля проста. Когда идешь по густому лесу, кажется, что деревья впереди расступаются, а сзади, наоборот, сходятся. Так и на небе — в той его части, куда летит Солнце вместе с Солнечной системой (созвездие Геркулеса), звезды будут казаться «разбегающимися» в стороны от апекса — точки неба, куда направлен вектор скорости Солнца. Наоборот, в противоположной точке неба (антиапексе) звезды должны казаться сходящимися. Эти эффекты и  были выявлены  Гершелем,  но из-за  скудости  данных  скорость движения  Солнца  он  определил неточно.

Гершель открыл множества двойных, тройных и вообще кратных звезд и обнаружил в них движение компонентов. Это доказывало, что кратные звезды – физические системы, подчиняющиеся закону тяготения. Но главная заслуга Вильяма Гершеля состоит в его исследовании общего строения звездного мира.

Задача была трудной. В ту пору (конец ХУШ в.) ни до одной из звезд не было известно расстояние. Пришлось поэтому ввести ряд упрощающих предположений. Так, Гершель предположил, что все звезды распределены в пространстве равномерно. Там же, где наблюдаются сгущения звезд, в том направлении звездная система имеет большую протяженность. Пришлось  также предположить, что все звезды излучают одинаковое количество света, а их видимая звездная величина зависит только от расстояния. И, наконец, мировое пространство Гершель считал абсолютно прозрачным. Все  эти  три допущения  были, как мы теперь знаем, ошибочными, но  ничего  лучшего  во  времена Гершеля придумать было невозможно. На звездном небе Гершель выделил 1083 площадки и на каждой из них подсчитывал число звезд данной звездной величины. Предположив затем, что самые яркие звезды наиболее близки к Земле, Гершель принял их расстояние от Земли за единицу и в этих относительных масштабах построил схему нашей звездной системы. При этом Гершель полагал, что его телескопы  позволяют  видеть  самые далекие звезды Галактики.

Схема строения Галактики по Гершелю  была, конечно, далекой от действительности. Получалось, что поперечник Галактики равен 5800 св. годам, а ее толщина 11ОО св. годам, причем Солнечная система находится недалеко от галактического центра. Хотя в этой работе действительные размеры нашей звездной системы уменьшены по крайней мере в 15 раз и положение Солнца оценено неверно, не следует  преуменьшать значение открытия Гершеля. Именно он впервые опытным путем доказал структурность звездной Вселенной, опровергнув популярные в ту пору взгляды о равномерном распределении звезд в бесконечном пространстве.

Следующий, весьма важный вклад в изучение Галактики внесли русские ученые. Воспитанник Дерптского (Тартуского)  университета Василий  Яковлевич  Струве  был первым  астрономом,  который  в 1837 г.  измерил  расстояние  до звезд. По  его  измерениям  расстояние до Веги равно 26 св. годам, что весьма близко к современным результатам. Независимо от Струве в 1838г.  Ф. Бессель  (1784— 1846) измерил расстояние до звезды 61 Лебедя (11,1 св. лет), а затем Т Гендерсону (1798—1844) в 1839г. удалось отыскать самую близкую к нам   звезду   Альфу   Центавра (4,3 св. года). Позднее расстояния до целого ряда звезд были измерены  Пулковской обсерватории X. Петерсом (1806—1880).

Как тогда писали, «лот, закинутый в глубину мироздания, достал дно».  Стали  известны масштабы звездных расстояний. Нужно было продолжить работы Гершеля на более высоком уровне знаний. Этим и занялся В.Я. Струве.

Теоретически подсчитав, сколько звезд должны быть видимы в телескопы Гершеля и сколько он видел на самом деле, В. Я Струве пришел к  фундаментальному  открытию. Межзвездное пространство наполнено веществом, поглощающим свет звезд. Без учета этого межзвездного поглощения выяснить строение Галактики невозможно. Кстати оказать, оценка величины поглощения света, подсчитанная  Струве,  близка  к современным оценкам.

В отличие от Гершеля, Струве не считал светимость звезд одинаковой. Но звезд с известным до них расстоянием было еще очень мало, и поэтому учесть светимость звезд Струве мог только приближенно.

В 1847 г вышел в свет обобщающий труд В.Я. Струве «Этюды звездной астрономии». В нем автор приходит к выводу, что сгущение звезд в плоскости Млечного Пути — реальное явление, и, следовательно, Галактика должна  иметь  форму плоского диска. По исследованиям Струве, Солнце расположено не в центре Галактики, а на значительном расстоянии от него.  Размеры Галактики  (с учетом поглощения света) получились большими, чем полагал Гершель. Границы нашей звездной  система  оказались  недоступными для зондирования, и поэтому оценить параметры Галактики  в  целом  В. Я Струве  не смог.

В середине прошлого века некоторые астрономы предполагали, что в центре Галактики находится исполинское «центральное Солнце», заставляющее своим тяготением все звезды двигаться вокруг себя. Профессор  Казанского  университета М.А. Ковальский (1821—1884) доказал, что существование «центрального Солнца” вовсе не обязательно и звезды Галактики могут двигаться вокруг динамического центра, т.е. геометрической точки, являющейся центром тяжести всей  звездной системы. Формулы Ковальского позволили по собственным движениям звезд найти направление на центр Галактики.

В 1927 г. голландский астроном Ян Оорт  окончательно  доказал, что все звезды Галактики обращаются вокруг ее центра. При этом Галактика в целом не вращается как твердое тело. Во внутренних областях Галактики (примерно до Солнца) угловые скорости  звезд почти одинаковы. Однако далее к краям Галактики они постепенно убывают, но несколько медленнее, чем положено по третьему закону Кеплера. Орбитальная  скорость Солнца составляет 250 км/с, причем Солнце завершает полный оборот вокруг центра Галактики примерно за 200 млн. лет.

Только в 1934 г. были уверенно определены следующие параметры нашей звездной системы: расстояние от Солнца до центра – 32 000 св. лет; диаметр Галактики 100 000 св. лет; толщена галактического «диска» 10 000 св. лет; масса 165 млрд. солнечных масс.

Строение галактики

Одним из самых примечательных объектов звездного неба является Млечный Путь. Древние греки называли его galaxias, т.е. молочный круг. Уже первые наблюдения в телескоп, проведенные Галилеем, показали, что Млечный Путь – это скопление очень далеких и слабых звезд.

Южная часть Млечного Пути. В начале ХХ века стало очевидным, что почти все видимое вещество во Вселенной сосредоточено в гигантских звездно-газовых островах с характерным размером от нескольких килопарсеков до нескольких десятков килопарсек (1 килопарсек = 1000 парсек ~ 3∙103 световых лет ~ 3∙1019 м). Солнце вместе с окружающими его звездами также входит в состав спиральной галактики, всегда обозначаемой с заглавной буквы: Галактика. Когда мы говорим о Солнце, как об объекте Солнечной системы, мы тоже пишем его с большой буквы.

В Галактике различают три главные части — диск, гало и корону. Центральное сгущение диска называется балджем. В диске сосредоточены звезды, порождающие явление Млечного Пути. Здесь же присутствуют многочисленные облака пыли и газа. Диаметр диска близок к 100 000 св. годам, наибольший и наименьший поперечники балджа  соответственно близки  к 20 000 и 30 000 св. лет.

Гало по форме напоминает слегка сплюснутый эллипсоид с наибольшим диаметром, немного превосходящим поперечник диска. Эту часть нашей звездной системы населяют главным образом старые и слабосветящиеся звезды, а газ и пыль там практически  отсутствуют.  Масса  гало и диска примерно одинакова. Обе эти  части  Галактики  погружены в огромную сферическую корону, диаметр которой в 5—10 раз больше диаметра  диска.  Возможно,  что корона  содержит  главную  массу Галактики в форме невидимого пока вещества  («скрытой массы»). По некоторый оценкам эта «скрытая масса» примерно раз в 10 больше массы всех обычных звезд Галактики, сосредоточенных в диске и гало.

Млечный Путь

В ясную безлунную ночь на небосклоне хорошо видна светлая полоса, которая опоясывает весь небосвод в виде серебристой ленты. Согласно древнегреческому мифу, Геракл пролил молоко, ког­да его кормила богиня Гера. Белая полоса на небе напоминает проли­тое молоко, поэтому она получила название Млечный Путь.

Наблюдая Млечный Путь в телескоп, Галилей установил, что он со­стоит из большого количества звёзд, которые объединены в огромную звёздную систему. Эту звёздную систему назвали Галактикой (от греч. galaktikos — млечный). Впоследствии слово «галактика» стало упо­требляться как название огромных звёздных систем.

Млечный Путь составляет основную часть нашей галактики. Он включает в себя созвездия Возничего, Персея, Кассиопеи, Цефея, Стрельца, Ориона, Тельца и других. Солнечная система тоже входит в его состав и находится внутри него. Млечный Путь содержит около 200 миллиардов звёзд (для наблюдения доступны только 2 миллиар­да), тысячи гигантских облаков пыли и газа, скоплений, туманностей. Невооружённым глазом можно увидеть около 4500 звёзд. Основная масса звёзд расположена в форме плоского диска. Среднее расстояние между звёздами — около 5 световых лет. Млечный Путь сжат в пло­скости и похож на летающую тарелку. Он состоит из трёх основных частей: центральной (ядра), которая включает миллиарды старых звёзд; относительно тонкого диска из звёзд, газа и пыли (диа­метром 100 тысяч световых лет и толщиной несколько тысяч световых лет); сферического гало (короны), содержащего карликовые галактики, шаровые звёздные скопления, отдельные звёзды, группы звёзд и горячий газ.

Масса нашей галактики Млечный Путь 3 • 1012 масс Солнца (6 • 1042 кг), 1/100 её мас­сы составляют межзвёздный газ и пыль. Для сравнения: масса галактики Туманность Ан­дромеды почти такая же, а галактики Треу­гольник — в 20 раз меньше.

Млечный Путь — спиральная галактика, в её центре расположено ядро диаметром 1000—2000 пк — гигантское уплотнённое скопление звёзд, которое находится в созвез­дии Стрельца на расстоянии от нас почти 10 000 пк (30 тысяч световых лет). У него есть четыре гигантские закрученные ветви («рука­ва») из звёзд, газа, планет, пыли. В этих «ру­кавах» образуются новые звёзды. Солнечная система и Земля расположены в промежутке между двумя такими «рукавами» — «рукавом» Щита—Центавра и «рукавом» Персея. Они вращаются на расстоянии прибли­зительно 25 тысяч световых лет от центра Млечного Пути.

Предположительно в центре Галактики располагается сверхмассивная чёрная дыра (Стрелец А), вокруг которой вращается чёрная дыра средней массы.

Истинная конфигурация «рукавов» Млечного Пути до сих пор оста­ётся неизвестной из-за облаков космической пыли, мешающей астро­номам рассмотреть в подробностях структуру галактического диска. По той же причине структуру нашей родной галактики мы представ­ляем себе намного хуже, чем структуру других спиральных галактик, например Туманности Андромеды.

Однако помимо электромагнитного излучения в видимой области спектра происходит излучение и в диапазоне радиоволн, проникаю­щих сквозь облака галактической пыли. И вот тут на помощь астроно­мам приходят радиотелескопы. На­блюдая радиоизлучение с помощью относительно небольшого радиоте­лескопа, расположенного на крыше одного из университетских зданий в Кембридже, сотрудники Гарвард-Смитсоновского центра астрофизи­ки сумели нанести на звёздную карту распределение вещества в самых удалённых областях Млечного Пути. Итогом стало обнаружение ново­го спирального «рукава», являющегося, по предположениям астро­номов, продолжением «рукава» Щита—Центавра, выходящего из центральной перемычки галакти­ческой спирали.

Заключение

Изучение звездных систем, очевидно немыслимое в древности, могло начаться  на достаточно  высоком уровне  развития  телескопической техники. Начало было положено в ХVIII и XIX вв. громадными рефлекторами Гершелей и Росса. На протяжении этих веков осмысливалось положение Земли в звездном мире. Окончательно открытие Галактики с ее реальными параметрами состоялось лишь к началу 20-х годов текущего века. С этих же лет начинается и  бурный рост внегалактической  астрономии,  чему  способствовали прогресс в телескопостроении и рождение радиоастрономии.

Ныне наблюдаемая часть Вселенной  предстает  как  совокупность материальных систем, начиная от кратных звезд и звездных скоплений и кончая облаками из сотен тысяч галактик.

Главная  задача  современной звездной астрономии состоит в выяснении деталей строения Метагалактики, т. е. всего доступного нашему  изучению звездного мира. Открытие квазаров и уменьшение их численности по мере дальнейшего проникновения в глубины Вселенной, возможно, показывает, что «границы» Метагалактики близки к наблюдению самых старых объектов мироздания.

То, что уже известно о мире галактик, показывает громадное многообразие звездных систем.  Этот факт еще и еще раз убеждает нас в  неисчерпаемости  окружающего нас материального мира.