Як розподілені галактики у Всесвіті. Теорія Введення. Розподіл зірок в Галактиці. Скупчення. Загальна будова Галактики
Зазвичай галактики зустрічаються невеликими групами, що містять по десятку членів, часто об'єднуються в великі скупчення сотень і тисяч галактик. Наша Галактика входить до складу так званої Місцевої групи, що включає в себе три гігантські спіральні галактики (наша Галактика, туманність Андромеди і туманність в сузір'ї Трикутника), а також понад 15 карликових еліптичних і неправильних галактик, найбільшими з яких є Магелланові Хмари. В середньому розміри скупчень галактик становлять близько 3 Мпс. В окремих випадках діаметр їх може перевищувати 10-20 Мпс. Вони діляться на розсіяні (неправильні) і сферичні (правильні) скупчення. Розсіяні скупчення не володіють правильною формою і мають нерізкі контури. Галактики в них вельми слабо концентруються до центру. Прикладом гігантського розсіяного скупчення може служити найближче до нас скупчення галактик в сузір'ї Діви (241). На небі воно займає приблизно 120 кв. градусів і містить кілька тисяч переважно спіральних галактик. Відстань до центру цього скупчення становить близько 11 Мпс. Сферичні скупчення галактик більш компактні, ніж розпорошені, і мають сферичної симетрією. Їх члени помітно концентруються до центру. Прикладом сферичного скупчення є скупчення галактик в сузір'ї Волосся Вероніки, що містить дуже багато еліптичних і лінзоподібних галактик (242). Його діаметр становить майже 12 градусів. У ньому містяться близько 30 000 галактик яскравіше 19 фотографічної зоряної величини. Відстань до центру скупчення становить близько 70 Мпс. З багатьма багатими скупченнями галактик пов'язані потужні протяжні джерела рентгенівського випромінювання, природа якого, швидше за все, пов'язана з наявністю гарячого міжгалактичного газу, подібного коронам окремих галактик. Є підстави вважати, що скупчення галактик в свою чергу також розподілені нерівномірно. Згідно з деякими дослідженнями, що оточують нас скупчення і групи галактик утворюють грандіозну систему - сверхгалактікі. Окремі галактики при цьому, мабуть, концентруються до деякої площини, яку можна називати екваторіальній площиною сверхгалактікі. Тільки що розглянуте скупчення галактик в сузір'ї Діви знаходиться в центрі такої гігантської системи. Маса нашої сверхгалактікі повинна складати близько 1015 мас Сонця, а її діаметр близько 50 Мпс. Однак реальність існування подібних скупчень галактик другого порядку в даний час залишається спірною. Якщо вони й існують, то лише як слабо виражена неоднорідність розподілу галактик у Всесвіті, так як відстані між ними трохи можуть перевищувати їх розміри.
Наш побіжний огляд ми почнемо з короткого обговорення сучасного стану Всесвіту (точніше, спостерігається її частини).
1.2.1. Однорідність і изотропия
На великих масштабах видима частина сучасної Всесвіту однорідний і ізотропний. Розміри найбільших структур у Всесвіті - сверхскоплений галактик і гігантських «пустот» (voids) - досягають десятків мегапарсек). Області Всесвіту розміром 100 Мпк і більш виглядають все однаково (однорідність), при цьому виділених напрямків у Всесвіті немає (изотропия). Ці факти сьогодні надійно встановлені в результаті глибоких оглядів, в яких спостерігалися сотні тисяч галактик.
Сверхскоплений відомо понад 20. Місцева група входить до складу надскупчення з центром в скупченні Діви. Розмір надскупчення близько 40 Мпк, і крім скупчення Діви в нього входять скупчення з сузір'їв Гідра і Центавр. Ці найбільші структури вже дуже «пухкі»: щільність галактик в них всього в 2 рази перевищує середню. До центру наступного надскупчення, розташованого в сузір'ї Волосся Вероніки, близько сотні мегапарсек.
В даний час ведеться робота зі складання найбільшого каталогу галактик і квазарів - каталогу SDSS (Sloan Digital Sky Survey). В його основі лежать дані, отримані за допомогою 2,5-метрового телескопа, здатного одночасно в 5 частотних діапазонах (Довжини хвиль світла $ \\ lambda \u003d 3800-9200 A $, область видимого діапазону) вимірювати спектри 640 об'єктів. На цьому телескопі передбачалося виміряти положення та світність більше двохсот мільйонів астрономічних об'єктів і визначити відстані до більш $ 10 ^ 6 $ галактик і більше $ 10 ^ 5 $ квазарів. Повна зона спостереження склала майже чверть небесної сфери. На сьогоднішній день оброблена велика частина експериментальних даних, що дозволило визначити спектри близько 675 тис. Галактик і більше 90 тис. Квазарів. Результати проілюстровані на рис. 1.1, де наведені ранні дані SDSS: положення 40 тис. Галактик і 4 тис. Квазарів, виявлених на ділянці небесної сфери площею 500 квадратних градусів. Добре помітні скупчення галактик і порожнечі, изотропия і однорідність Всесвіту починають проявлятися на масштабах порядку 100 Мпк і більше. Колір точки визначає тип об'єкта. Домінування того чи іншого типу обумовлено, взагалі кажучи, процесами освіти і еволюції структур - це асиметрія тимчасова, а не просторова.
Дійсно, з відстані 1,5 ЦПК, на яке припадає максимум в розподілі яскравих червоних еліптичних галактик (червоні точки на рис. 1.1), світло летів до Землі близько 5 мільярдів років. Тоді Всесвіт був інший (наприклад, Сонячної системи еше не було).
Ця тимчасова еволюція стає помітною на великих просторових масштабах. Ще однією причиною вибору об'єктів спостереження є наявність у реєструючих приладів порога чутливості: на великих відстанях реєструються тільки яскраві об'єкти, а найяскравішими постійно випромінюють світло об'єктами у Всесвіті є квазари.
Мал. 1.1. Просторовий розподіл галактик і квазарів за даними SDSS. Зеленими крапками відзначені всі галактики (в даному тілесному куті) з яскравістю, що перевищує деяку. Червоні точки вказують галактики найбільшою світності з віддалених скупчень, що утворюють досить однорідну популяцію; в супутньої системі відліку їх спектр зміщений в червону область у порівнянні зі звичайними галактиками. Блакитні і сині точки показують розташування звичайних квазарів. Параметр h приблизно дорівнює 0,7
1.2.1. розширення
Всесвіт розширюється: галактики віддаляються один від одного (Зрозуміло, це не відноситься до галактик, що знаходяться в одному скупченні і гравітаційно пов'язаних один з одним; мова йде про галактиках, досить віддалених один від одного). Образно кажучи, простір, залишаючись однорідним і ізотропним, розтягується, в результаті чого всі відстані збільшуються.
Для опису цього розширення вводять поняття масштабного фактора $ a (t) $, який збільшується з плином часу. Відстань між двома віддаленими об'єктами у Всесвіті пропорційно $ a (t) $, а щільність частинок зменшується як $ ^ (- 3) $. Темп розширення Всесвіту, тобто відносне збільшення відстаней в одиницю часу, характеризується параметром Хаббла $$ H (t) \u003d \\ frac (\\ dot (a) (t)) (a (t)) $$
Параметр Хаббла залежить від часу; для його сучасного значення застосовуємо, як зазвичай, позначення $ H_0 $.
Через розширення Всесвіту збільшується і довжина хвилі фотона, випущеного в далекому минулому. Як і всі відстані, довжина хвилі зростає пропорційно $ a (t). $ В результаті фотон відчуває червоне зміщення. Кількісно червоне зміщення z пов'язано з відношенням довжин хвиль фотона в момент випускання і в момент поглинання $$ \\ frac (\\ lambda_ (abs)) (\\ lambda_ (em)) \u003d 1 + z, \\, \\, \\, \\, \\, \\, \\, \\, \\, \\, \\, \\, \\, \\, \\, (1.3) $$ де $ _ (abs) $ - поглинання, $ _ (em) $ - випускання.
Зрозуміло, це відношення залежить від того, коли фотон був виданий (вважаючи, що поглинається він на Землі сьогодні), тобто від відстані між джерелом і Землею. Вигляд - безпосередньо вимірювана величина: довжина хвилі в момент випромінювання визначається фізикою процесу (наприклад, це довжина хвилі фотона, що випускається при переході атома водню з першого збудженого стану в основний), а $ \\ lambda_ (abs) $ прямо вимірюється. Таким чином, идентифицировав набір ліній випускання (або поглинання) і визначивши, наскільки вони зміщені в червону область спектра, можна виміряти червоне зміщення джерела.
Реально ідентифікація здійснюється відразу по декількох лініях, найбільш характерним для об'єктів того чи іншого типу (див. Рис. 1.2). Якщо в спектрі знайдені лінії поглинання (провали, як в спектрах на рис. 1.2), це означає, що об'єкт, у якого визначається червоне зміщення, розташований між джерелом випромінювання (наприклад, квазаром) і спостерігачем (фотони цілком певних частот відчувають резонансне поглинання на атомах і іони (з подальшим ізотропним перєїзлученієм), що і призводить до провалів в спектрі інтенсивності випромінювання в напрямку на спостерігача). Якщо ж в спектрі виявлені лінії випромінювання (піки в спектрі), то об'єкт сам є випромінювачем.
Мал. 1.2. Лінії поглинання в спектрах далеких галактик. На верхній діаграмі наведені результати вимірювань диференціального потоку енергії від далекої (z \u003d 2,0841) галактики. Вертикальні лінії вказують розташування атомних ліній поглинання, ідентифікація яких дозволила визначити червоне зміщення галактики. В спектрах ближчих галактик ці ліній краще помітні. Діаграма зі спектрами таких галактик, вже наведеними в супутню систему відліку з урахуванням червоного зсуву, представлена \u200b\u200bна нижньому малюнку
Для $ z \\ ll 1 $ справедливий закон Хаббла $$ z \u003d H_0 r, \\, \\, \\, z \\ ll 1, \\, \\, \\, \\, \\, \\, \\, \\, \\, \\, \\, \\, \\, \\, \\, (1.4) $$ де $ r $ - відстань до джерела, a $ H_0 $ - сучасне значення параметра Хаббла. При великих z залежність відстані від червоного зсуву ускладнюється, що буде докладно обговорюватися.
Визначення абсолютних відстаней до віддалених джерел - дуже непроста справа. Один з методів полягає у вимірюванні потоку фотонів від віддаленого об'єкта, чия світність заздалегідь відома. Такі об'єкти в астрономії іноді називають стандартними свічками .
Систематичні помилки у визначенні $ H_0 $ не дуже добре відомі і, мабуть, досить великі. Досить зазначити, що величина цієї постійної, певна самим Хабблом в 1929 році, становила 550 км / (с · Мпк). Сучасні методи вимірювання параметра Хаббла дають $$ H_0 \u003d 73 _ (- 3) ^ (+ 4) \\ frac (km) (c \\ cdot Mpc). \\, \\, \\, \\, \\, \\, \\, \\, \\, \\, \\, \\, \\, \\, \\, (1.5) $$
Прояснимо сенс традиційної одиниці виміру параметра Хаббла, яка фігурує в (1.5). Наївна інтерпретація закону Хаббла (1.4) полягає в тому, що червоне зміщення обумовлено радіальним рухом галактик від Землі зі швидкостями, пропорційними відстаням до галактик, $$ v \u003d H_0r, \\, \\, \\, v \\ ll 1, \\, \\, \\
Тоді червоний зсув (1.4) інтерпретується як поздовжній ефект Доплера (при $ v \\ ll c $, т. Е. $ V \\ ll 1 $ в природних одиницях, допплеровское зміщення $ z \u003d v $). У зв'язку з цим параметром Хаббла $ H_0 $ приписують розмірність [швидкість / відстань]. Підкреслимо, що інтерпретація космологічного червоного зміщення в термінах ефекту Допплера необов'язкова, а в ряді випадків неадекватна. Найбільш правильно використовувати співвідношення (1.4) в тому вигляді, в якому воно написано. Величину $ H_0 $ традиційно параметрізуется наступним чином: $$ H_0 \u003d h \\ cdot 100 \\ frac (km) (c \\ cdot Mpc), $$ де h - безрозмірна величина порядку одиниці (див. (1.5)), $$ h \u003d 0.73 _ (- 0.03) ^ (+ 0.04) $$ Ми будемо користуватися значенням $ h \u003d 0.7 $ в подальших оцінках.
Мал. 1.3. Діаграма Хаббла, побудована зі спостереження віддалених цефеїд. Суцільною лінією показаний закон Хаббла з параметром $ H_0 $ \u003d 75 км / (с · Мпк), певним в результаті цих спостережень. Пунктирні лінії відповідають експериментальним погрішностей у величині постійної Хаббла
Для вимірювання параметра Хаббла в якості стандартних свічок традиційно використовують цефеїди - змінні зірки, чия змінність пов'язана певним чином з світність. Зв'язок цю можна виявити, вивчаючи цефеїди в якихось компактних зоряних утвореннях, наприклад, в Магелланових хмарах. Оскільки відстані до всіх цефеїд всередині одного компактного освіти з високим ступенем точності можна вважати однаковими, ставлення спостережуваних яркостей таких об'єктів в точності дорівнює відношенню їх светимостей. Період пульсацій цефеїд може становити від доби до декількох десятків діб, за цей час світність змінюється в кілька разів. В результаті спостережень була побудована залежність світності від періоду пульсацій: чим яскравіше зірка, тим більше період пульсацій.
цефеїди - гіганти і надгіганти, тому їх вдається спостерігати далеко за межами Галактики. Вивчивши спектр віддалених цефеїд, знаходять червоне зміщення по формулі (1.3), а досліджуючи тимчасову еволюцію, визначають період пульсацій світності. Потім, використовуючи відому залежність змінності від світності, визначають абсолютну світність об'єкта і далі обчислюють відстань до об'єкта, після чого за формулою (1.4) отримують значення параметра Хаббла. На рис. 1.3 приведена отримана таким чином діафамма Хаббла - залежність червоного зсуву від відстані.
Крім цефеїд, є й інші яскраві об'єкти, що використовуються в якості стандартних свічок, наприклад наднові типу 1а.
1.2.3. Час життя Всесвіту і розмір її спостерігається частини
Параметр Хаббла насправді має розмірність $$, тому сучасний Всесвіт характеризується тимчасовим масштабом $$ H_0 ^ (- 1) \u003d \\ frac 1h \\ cdot \\ frac (1) (100) \\ frac (km) (c \\ cdot Mpc) \u003d \\ $$ і космологічним масштабом відстаней $$ H_0 ^ (- 1) \u003d \\ frac 1h \\ cdot 3000 Mpc \\ approx 4.3 \\ cdot 10 ^ 3 Mpc. $$
Грубо кажучи, розмір Всесвіту збільшиться вдвічі за час порядку 10 млрд років; галактики, що перебувають від нас на відстані близько 3000 Мпк, віддаляються від нас зі швидкостями, порівнянними зі швидкістю світла. Ми побачимо, що час $ H_0 ^ (- 1) $ по порядку величини збігається з віком Всесвіту, а відстань $ H_0 ^ (- 1) $ - з розміром видимої частини Всесвіту. Ми будемо уточнювати уявлення про вік Всесвіту і розмірі її видимої частини в подальшому. Тут відзначимо, що прямолінійна екстраполяція еволюції Всесвіту в минуле (відповідно до рівнянь класичної загальної теорії відносності) призводить до уявлення про моменті Великого вибуху, з якого почалася класична космологічна еволюція; тоді час життя Всесвіту - це час, що минув з моменту Великого вибуху, а розмір видимої частини (розмір горизонту) - це відстань, яку проходять з моменту Великого вибуху сигнали, які рухаються зі швидкістю світла. При цьому розмір всьому Всесвіті значно перевищує розмір горизонту; в класичній загальної теорії відносності просторовий розмір Всесвіту може бути і нескінченним.
Незалежно від космологічних даних, є спостережні обмеження знизу на вік Всесвіту $ t_0 $. Різні незалежні методи призводять до близьких обмеженням на рівні $ t_0 \\ gtrsim 14 $ млрд років $ \u003d 1.4 \\ cdot 10 ^ (10) $.
Один з методів, за допомогою яких отримано останнє обмеження, полягає у вимірюванні розподілу білих карликів по світності. Білі карлики - компактні зірки великої щільності з масами, приблизно збігаються з масою Сонця, - поступово тьмяніють в результаті охолодження за допомогою випромінювання. У Галактиці зустрічаються білі карлики найрізноманітніших светимостей, однак починаючи з деякої низькою світності число білих карликів різко падає, і це падіння не пов'язане з чутливістю апаратури спостереження. Пояснення полягає в тому, що навіть найстаріші білі карлики ще не змогли настільки охолодитися, щоб стати такими тьмяними. Час охолодження можна визначити, вивчаючи баланс енергії при охолодженні зірки. Це час охолодження - вік найстаріших білих карликів - є обмеженням знизу на час життя Галактики, а значить, і всього Всесвіту.
Серед інших методів відзначимо вивчення поширеності радіоактивних елементів в земній корі і в складі метеоритів, порівняння еволюційної кривої зірок головної послідовності на діаграмі Герцшпрунга-Рассела ( «світність - температура» або «яскравість - колір») з поширеністю найстаріших зірок в збіднених металами кульових скупченнях зірок ( Галактики - внутрігалактіческой структури діаметром близько 30 пк, що включають сотні тисяч і навіть мільйони зірок. Термін «метали» в астрофізиці належить до всіх елементів, важчих за гелій.), Вивчення стану релаксаційних процесів в зоряних скупченнях, вимір поширеності гарячого газу в скупченнях галактик.
1.2.4. просторова площинність
Однорідність і изотропия Всесвіту не означають, взагалі кажучи, що в фіксований момент часу тривимірний простір являє собою 3-площину (тривимірне евклідів простір), т. Е. Що Всесвіт має нульову просторову кривизну. Поряд з 3-площиною, однорідними і ізотропним є 3-сфера (позитивна просторова кривизна) і 3-гіперболоїд (негативна кривизна). Фундаментальним результатом спостережень останніх років стало встановлення того факту, що просторова кривизна Всесвіту якщо і відмінна від нуля, то мала. Ми будемо неодноразово повертатися до цього твердження, як для того, щоб сформулювати його на кількісному рівні, так і для того, щоб викласти, які саме дані свідчать про просторової площинності Всесвіту. Тут досить сказати, що цей результат отримано з вимірів анізотропії реліктового випромінювання і на якісному рівні зводиться до того, що радіус просторової кривизни Всесвіту помітно більше розміру її спостерігається частини, тобто помітно більше $ H_0 ^ (- 1) $.
Відзначимо також, що дані по анізотропії реліктового випромінювання узгоджуються і з припущенням про тривіальної просторової топології. Так, в разі компактного тривимірного різноманіття з характерним розміром порядку Хаббловском на небесній сфері спостерігалися б кола зі схожою картиною анізотропії реліктового випромінювання - перетину сфери останнього розсіювання фотонів, що залишилися після рекомбінації (освіти атомів водню), з образами цієї сфери, отриманими в результаті дії групи руху різноманіття. Якби простір мало, наприклад, топологію тора, то на небесній сфері спостерігалася б пара таких кіл в діаметрально протилежних напрямках. Таких властивостей реліктове випромінювання не виявляє.
1.2.5. «Тепла» Всесвіт
Сучасна Всесвіт заповнена газом невзаимодействующих фотонів - реліктовим випромінюванням, передбаченим теорією Великого вибуху і виявленим експериментально в 1964 році. Щільність числа реліктових фотонів становить приблизно 400 штук на кубічний сантиметр. Розподіл фотонів по енергіях має теплової Планка спектр (рис. 1.4), що характеризується температурою $$ T_0 \u003d 2.725 \\ pm 0.001 K \\, \\, \\, \\, \\, \\, \\, \\, \\, \\, \\, \\, \\ Температура фотонів, що приходять з різних напрямків на небесній сфері, однакова на рівні приблизно $ 10 ^ (- 4) $; це - ще одне свідчення однорідності і изотропии Всесвіту.
Мал. 1.4. Вимірювання спектра реліктового випромінювання. Компіляція даних виконана в. Пунктирною кривою показаний Планка спектр (спектр «чорного тіла»). Недавній аналіз дає значення температури (1.7), а не T \u003d 2,726 К, як на малюнку
Мал. 1.5. Дані WMAP: кутова анізотропія реліктового випромінювання, т. Е. Залежність температури фотонів від напрямку їх приходу. Середня температура фотонів і дипольная компонента (1.8) відняті; зображені варіації температури знаходяться на рівні $ \\ delta T \\ sim 100 \\ mu K $ $ \\ delta T / T_0 \\ sim 10 ^ (- 4) -10 ^ (- 5) $
У той же час, експериментально встановлено, що ця температура все ж залежить від напрямку на небесній сфері. Кутова анізотропія температури реліктових фотонів на даний момент добре виміряна (див. Рис. 1.5) і становить, грубо кажучи, величину порядку $ \\ delta T / T_0 \\ sim 10 ^ (- 4) -10 ^ (- 5) $. Той факт, що спектр є Планка в усіх напрямках, контролюється проведенням вимірів на різних частотах.
Ми будемо неодноразово повертатися до анізотропії (і поляризації) реліктового випромінювання, оскільки, з одного боку, вона несе цінну інформацію про ранню і сучасному Всесвіті, а з іншого боку, її вимір можливо з високою точністю.
Відзначимо, що наявність реліктового випромінювання дозволяє ввести у Всесвіті виділену систему відліку: це та система відліку, в якій газ реліктових фотонів спочиває. сонячна система рухається щодо реліктового випромінювання в напрямку сузір'я Гідри. Швидкість цього руху визначає величину дипольної компоненти анізотропії $$ \\ delta T_ (dipol) \u003d 3.346 mK \\, \\, \\, \\, \\, \\, \\, \\, \\, \\, \\, \\, \\, \\, \\, ( 1.8) $$
Сучасна Всесвіт прозора для реліктових фотонів ( Насправді «прозорості» різних частин Всесвіту розрізняються. Наприклад, гарячий газ ($ T \\ sim 10 $ кеВ) в скупченнях галактик розсіює реліктові фотони, які набувають при цьому додаткову енергію. Цей процес призводить до «підігріву» реліктових фотонів - ефекту Зельдовича-Сюняева. Величина цього ефекту невелика, але цілком помітна при сучасні методи спостережень.): Сьогодні їх довжина вільного пробігу велика в порівнянні з розміром горизонту $ H_0 ^ (- 1) $. Це не завжди було так: в ранньому Всесвіті фотони інтенсивно взаємодіяли з речовиною.
Оскільки температура реліктового випромінювання $ T $ залежить від напрямку $ \\ vec (n) $ на небесній сфері, то для вивчення цієї залежності зручно використовувати розкладання по сферичним функціям (гармоникам) $ Y_ (lm) (\\ textbf (n)) $, що створює повний набір базисних функцій на сфері. Під флуктуацией температури $ \\ delta T $ в напрямку $ \\ vec (n) $ розуміють різницю $$ \\ delta T (\\ textbf (n)) \\ equiv T (\\ textbf (n)) -T_0- \\ delta T_ (dipol) \u003d \\ sum_ (l, m) a_ (l, m) Y_ (l, m) (\\ textbf (n)), $$ де для коефіцієнтів $ a_ (l, m) $ виконується співвідношення $ a ^ * _ (l , m) \u003d (- 1) ^ m a_ (l, -m) $, що є необхідним наслідком матеріальність температури. Кутові моменти $ l $ відповідають флуктуацій з типовим кутовим масштабом $ \\ pi / l $. Існуючі спостереження дозволяють вивчати різні кутові масштаби, від найбільших до масштабів менше 0,1 ° ($ l \\ sim 1000 $, див. Рис. 1.6).
Мал. 1.6. Результати вимірювань кутової анізотропії реліктового випромінювання різними експериментами. Теоретична крива отримана в рамках моделі $ \\ Lambda $ CDM.
Дані спостереження узгоджуються з тим, що флуктуації температури $ \\ delta T (\\ textbf (n)) $ являють собою випадкове гауссово поле, тобто коефіцієнти $ a_ (l, m) $ статистично незалежні для різних $ l $ і $ m $, $$ \\ langle a_ (l, m) a_ (l ", m") ^ * \\ rangle \u003d C_ (lm) \\ cdot \\ delta_ (ll ") \\ delta_ (mm"), \\, \\, \\, \\, \\, \\, \\, \\, \\, \\, \\, \\, \\, \\, \\, (1.9) $$ де під кутовими дужками мається на увазі усереднення по ансамблю всесвітів, подібних до нашої. Коефіцієнти $ C_ (lm) $ в ізотропної Всесвіті не залежать від m, $ C_ (lm) \u003d C_ (l) $, і визначають кореляцію між флуктуаціями температури в різних напрямках: $$ \\ langle \\ delta T (\\ textbf (n) _1) \\ delta T (\\ textbf (n) _2) \\ rangle \u003d \\ sum_l \\ frac (2l + 1) (4 \\ pi) C_lP_l (\\ cos \\ theta), $$ де $ P_l $ - поліноми Лежандра, що залежать тільки від кута $ \\ theta $ між векторами $ \\ textbf (n) _1 $ і $ \\ textbf (n) _2 $. Зокрема, для середньоквадратичної флуктуації отримуємо: $$ \\ langle \\ delta T ^ 2 \\ rangle \u003d \\ sum_l \\ frac (2l + 1) (4 \\ pi) C_l \\ approx \\ int \\ frac (l (l + 1)) ( 2 \\ pi) C_ld \\ ln l. $$
Таким чином, величина $ \\ frac (l (l + 1)) (2 \\ pi) C_l $ характеризує сумарний внесок кутових моментів одного порядку. Результати вимірювання саме цієї величини наведені на рис. 1.6.
Важливо відзначити, що вимірювання кутовий анізотропії реліктового випромінювання дає не одне експериментально виміряний число, а цілий набір даних, т. Е. Значення $ C_l $ при різних $ l $. Цей набір визначається цілою низкою параметрів ранньої і сучасному Всесвіті, тому його вимір дає багато космологічної інформації.
Найбільш яскрава риса просторового розподілу кульових скупчень в Галактиці - сильна концентрація до її центру. На рис. 8-8 показано розподіл кульових скупчень на всій небесній сфері, тут центр Галактики знаходиться в центрі малюнка, північний полюс Галактики - вгорі. Чи не помітно зони уникнення уздовж площини Галактики, так що міжзоряний поглинання в диску не приховує від нас значної кількості скупчень.
На рис. 8-9 наведено розподіл кульових скупчень уздовж відстані від центру Галактики. У наявності сильна концентрація до центру - більшість кульових скупчень знаходяться в сфері радіусом ≈ 10 кпк. Саме в межах цього радіусу розташовані практично всі кульові скупчення, що утворилися з речовини єдиного протогалактіческіх хмари і сформували підсистеми товстого диска (скупчення з\u003e -1.0) і власного гало (менш вмістом металів скупчення з екстремально блакитними горизонтальними гілками). Малометаллічние скупчення з аномально червоними для своєї металличности горизонтальними гілками утворюють сфероїдальну підсистему аккрецірованного гало радіусом ≈ 20 кпк. Цією ж підсистемі належать ще близько півтора десятка більш далеких скупчень (див. Рис. 8-9), серед яких є кілька об'єктів з аномально високим вмістом металів.
Скупчення аккрецірованного гало, як вважають, відібрані гравітаційним полем Галактики у галактик-супутників. На рис. 8-10 схематично показана ця структура згідно Борково і Марсакова з Південного федерального університету. Тут літерою C позначений центр Галактики, S - приблизне положення Сонця. При цьому до сплюсненої підсистемі належать скупчення з великим вмістом металів. На більш детальному обґрунтуванні поділу кульових скупчень на підсистеми ми зупинимося в § 11.3 і § 14.3.
Галактики поширені і в інших галактиках, причому їх просторовий розподіл в спіральних галактиках нагадує розподіл в нашій Галактиці. Помітно відрізняються від Галактичних скупчення Магелланових Хмар. Головна відмінність в тому, що поряд зі старими об'єктами, такими ж, як у нашій Галактиці, в Магелланових хмарах спостерігаються і молоді скупчення - так звані блакитні кульові скупчення. Ймовірно, в Магелланових хмарах епоха освіти кульових скупчень або продовжується, або закінчилася порівняно недавно. У нашій Галактиці молодих кульових скупчень, аналогічних блакитним скупчень Магелланових Хмар, схоже, немає, так що епоха освіти кульових скупчень в нашій Галактиці закінчилася дуже давно.
Галактики є еволюціонують об'єктами, поступово втрачають зірки в процесі динамічної еволюції . Так, у всіх скупчень, для яких вдалося отримати якісне оптичне зображення, виявилися сліди приливної взаємодії з Галактикою в формі протяжних деформацій (приливних хвостів). В даний час такі втрачаються зірки спостерігаються і у вигляді підвищень зоряної щільності уздовж галактичних орбіт скупчень. Деякі скупчення, орбіти яких проходять поблизу галактичного центру, руйнуються його приливні впливом. При цьому галактичні орбіти скупчень також еволюціонують за рахунок динамічного тертя.
На рис. 8-11 приведена діаграма залежності мас кульових скупчень
від їх галактоцентріческіх положень. Штриховими лініями обмежена область повільної еволюції кульових скупчень. Верхня лінія відповідає критичному значенню маси, стійкої для ефектів динамічного тертя
, Що призводять до уповільнення масивного зоряного скупчення і падіння його в центр Галактики, а нижня - для ефектів диссипации
з урахуванням приливних при прольоті скупчень крізь галактичну площину. Причина динамічного тертя зовнішня: що рухається крізь зірки поля масивне кульове скупчення притягує зустрічаються на своєму шляху зірки і змушує їх облітати себе ззаду по гіперболічної траєкторії, через що позаду нього утворюється підвищена щільність зірок, що створюють гальмівний прискорення. В результаті скупчення сповільнюється і починає по спіральній траєкторії наближатися до галактичного центру, поки за кінцеве час не впаде на нього. Чим більше маса скупчення, тим менше цей час. Диссіпація (випаровування) кульових скупчень відбувається через постійно діючого в скупченні внутрішнього механізму зоряно-зоряної релаксації, розподіляє зірки за швидкостями за законом Максвелла. У підсумку зірки, які отримали найбільші збільшення швидкості, залишають систему. Цей процес істотно прискорюють проходження скупчення поблизу ядра Галактики і крізь галактичний диск. Таким чином, з великою ймовірністю можна сказати, що скупчення, що лежать на діаграмі поза області, обмеженої цими двома лініями, вже закінчують свій життєвий шлях.
Цікаво, що аккрецірованние кульові скупчення виявляють залежність своїх мас від положення в Галактиці. Суцільні лінії на малюнку представляють собою прямі регресії, проведені для генетично пов'язаних (чорні точки) і аккрецірованних (відкриті гуртки) кульових скупчень. Видно, що генетично пов'язані скупчення не виявляється зміни середньої маси зі збільшенням відстані від галактичного центру. Зате для аккрецірованних скупчень наявності виразна антікорреляція. Таким чином виникає вимагає відповіді питання, чому в зовнішньому гало зі збільшенням галактоцентріческого відстані спостерігається зростаючий дефіцит масивних кульових скупчень (практично порожній правий верхній кут на діаграмі)?
Розсіяні скупчення не володіють правильною формою і мають нерізкі контури. Галактики в них вельми слабо концентруються до центру. Прикладом гігантського розсіяного скупчення може служити найближче до нас скупчення галактик в сузір'ї Діви (241). На небі воно займає приблизно 120 кв. градусів і містить кілька тисяч переважно спіральних галактик. Відстань до центру цього скупчення становить близько 11 Мпс.
Мал. 12.1. Просторовий розподіл галактик за даними SDSS. Зеленими крапками відзначені всі галактики (в даному тілесному куті) з яскравістю, що перевищує деяку. Червоні точки вказують галактики найбільшою світності з віддалених скупчень, що утворюють досить однорідну популяцію; у відповідній системі відліку їх спектр зміщений в червону область у порівнянні зі звичайними галактиками. Блакитні і сині точки показують розташування звичайних квазарів. Параметр h приблизно дорівнює 0.7.
Сферичні скупчення галактик більш компактні, ніж розпорошені, і мають сферичної симетрією. Їх члени помітно концентруються до центру. Прикладом сферичного скупчення є скупчення галактик в сузір'ї Волосся Вероніки, що містить дуже багато еліптичних і лінзоподібних галактик (242). Його діаметр становить майже 12 градусів. У ньому містяться близько 30 000 галактик яскравіше 19 фотографічної зоряної величини. Відстань до центру скупчення становить близько 70 Мпс. З багатьма багатими скупченнями галактик пов'язані потужні протяжні джерела рентгенівського випромінювання, природа якого, швидше за все, пов'язана з наявністю гарячого міжгалактичного газу, подібного коронам окремих галактик.
Є підстави вважати, що скупчення галактик в свою чергу також розподілені нерівномірно. Згідно з деякими дослідженнями, що оточують нас скупчення і групи галактик утворюють грандіозну систему - сверхгалактікі. Окремі галактики при цьому, мабуть, концентруються до деякої площини, яку можна називати екваторіальній площиною сверхгалактікі. Тільки що розглянуте скупчення галактик в сузір'ї Діви знаходиться в центрі такої гігантської системи. Маса нашої сверхгалактікі повинна складати близько 1015 мас Сонця, а її діаметр близько 50 Мпс. Однак реальність існування подібних скупчень галактик другого порядку в даний час залишається спірною. Якщо вони й існують, то лише як слабо виражена неоднорідність розподілу галактик у Всесвіті, так як відстані між ними трохи можуть перевищувати їх розміри.
Ві переглядаєте статтю (реферат): « Просторовий розподіл галактик»З дисципліни« Астрофізика»
Реферати та Публікації на інші тими :65.Распределеніе зірок в Галактиці. Скупчення. Загальна будова Галактики.
конецформиначалоформиЗнаніе відстаней до зірок дозволяє підійти до вивчення їх розподілу в просторі, а отже, і структури Галактики. Для того щоб охарактеризувати кількість зірок в різних частинах Галактики, вводять поняття зоряної щільності, аналогічне поняттю концентрації молекул. Зоряною щільністю називається кількість зірок, що знаходяться в одиниці об'єму простору. За одиницю об'єму зазвичай приймають 1 кубічний парсек. В околицях Сонця зоряна щільність становить близько 0,12 зірки на кубічний парсек, іншими словами, на кожну зірку в середньому припадає обсяг понад 8 пс 3; середнє ж відстань між зірками - близько 2 пс.Чтоби дізнатися, як змінюється зоряна щільність в різних напрямках, підраховують число зірок на одиниці площі (наприклад, на 1 квадратному градусі) в різних ділянках неба.
Перше, що кидається в очі при таких підрахунках, надзвичайно сильне збільшення концентрації зірок у міру наближення до смуги Чумацького Шляху, середня лінія якого утворює на небі велике коло. Навпаки, у міру наближення до полюса цього кола концентрація зірок швидко зменшується. Цей факт уже в кінці XVIII в. дозволив В.Гершелем зробити правильний висновок про те, що наша зоряна система має сплюснуту форму, причому Сонце має перебувати недалеко від площини симетрії цього образованія.конецформиначалоформи Всі зірки з видимою зоряною величиною, меншою або рівною т, що проектуються на деяку область неба, знаходяться всередині кульового сектора, радіус якого визначається за формулою
lg r m \u003d 1 + 0,2 (m ѕ M)
конецформиначалоформиЧтоби охарактеризувати, скільки в даній області простору міститься зірок різних светимостей, вводять функцію світимості j (М), яка показує, яка частка від загального числа зірок має дане значення абсолютної зоряної величини, скажімо, від M до М + 1.
конецформиначалоформиСкопленія галактик - гравітаційно-зв'язані системи галактик, Одні з найбільших структур у всесвіту. Розміри скупчень галактик можуть досягати 10 8 світлових років.
Скупчення умовно поділяються на два види:
регулярні - скупчення правильної сферичної форми, в яких переважають еліптичні та лінзовидні галактики, З чітко вираженою центральною частиною. У центрах таких скупчень розташовані гігантські еліптичні галактики. Приклад регулярного скупчення - скупчення Волосся Вероніки.
іррегулярні - скупчення без певної форми, за кількістю галактик поступаються регулярним. В скупченнях цього виду переважають спіральні галактики. приклад - скупчення Діви.
Маси скупчень варіюються від 10 13 до 10 15 мас Сонця.
будова галактики
Розподіл зірок в Галактиці має дві яскраво виражені особливості: по-перше, дуже висока концентрація зірок в галактичної площини, і по-друге, велика концентрація в центрі Галактики. Так, якщо в околицях Сонця, в диску, одна зірка припадає на 16 кубічних парсеків, то в центрі Галактики в одному кубічному парсек перебуває 10 000 зірок. У площині Галактики крім підвищеної концентрації зірок спостерігається також підвищена концентрація пилу і газу.
Розміри Галактики: - діаметр диска Галактики близько 30 кпк (100 000 світлових років), - товщина - близько 1000 світлових років.
Сонце розташоване дуже далеко від ядра Галактики - на відстані 8 кпк (близько 26 000 світлових років).
Центр Галактики знаходиться в сузір'ї Стрільця в напрямку на? \u003d 17h46,1m,? \u003d -28 ° 51 '.
Галактика складається з диска, гало і корони. Центральна, найбільш компактна область Галактики називається ядром. В ядрі висока концентрація зірок: в кожному кубічному парсек знаходяться тисячі зірок. Якби ми жили на планеті біля зірки, що знаходиться поблизу ядра Галактики, то на небі були б видні десятки зірок, по яскравості порівнянних з Місяцем. У центрі Галактики передбачається існування масивної чорної діри. У кільцевій області галактичного диска (3-7 кпк) зосереджена майже всі молекулярне речовина міжзоряного середовища; там знаходиться найбільша кількість пульсарів, залишків наднових і джерел інфрачервоного випромінювання. Видиме випромінювання центральних областей Галактики повністю приховано від нас могутніми шарами поглинаючої матерії.
Галактика містить дві основні підсистеми (два компонента), вкладені одна в іншу і гравітаційно-зв'язані один з одним. Перша називається сферичною - гало, її зірки концентруються до центру галактики, а щільність речовини, висока в центрі галактики, досить швидко падає з віддаленням від нього. Центральна, найбільш щільна частина гало в межах декількох тисяч світлових років від центру Галактики називається балджа. Друга підсистема - це масивний зоряний диск. Він являє собою як би дві складені краями тарілки. У диску концентрація зірок значно більше, ніж в гало. Зірки усередині диска рухаються по кругових траєкторіях навколо центру Галактики. У зоряному диску між спіральними рукавами розташовано Сонце.
Зірки галактичного диска були названі населенням I типу, зірки гало - населенням II типу. До диску, плоскої складової Галактики, відносяться зірки ранніх спектральних класів О і В, зірки розсіяних скупчень, темні пилові туманності. Гало, навпаки, складають об'єкти, що виникли на ранніх стадіях еволюції Галактики: зірки кульових скупчень, зірки типу RR Ліри. Зірки плоскої складової в порівнянні з зірками сферичної складової відрізняються великим вмістом важких елементів. Вік населення сферичної складової перевищує 12 мільярдів років. Його зазвичай приймають за вік самої Галактики.
У порівнянні з гало диск обертається помітно швидше. Швидкість обертання диска не однакова на різних відстанях від центру. Маса диска оцінюється в 150 мільярдів М. В диску знаходяться спіральні гілки (рукави). Молоді зірки і осередки зореутворення розташовані, в основному, уздовж рукавів.
Диск і довколишній гало занурені в корону. В даний час вважають, що розміри корони Галактики в 10 разів більше, ніж розміри диска.
| " |
