Создание внегалактической астрономии

Введение

Данная работа посвящена становлению внегалактической астрономии – разделу астрономии, изучающей объекты вне нашей галактики. Коперниканская революция показала, что Земля вовсе не является центром мироздания. Еще шаг – и Дж. Бруно провозглашает множественность миров: Солнце – лишь одно из мириады подобных ему светил, несущихся в бесконечной Вселенной. Эти светила – звезды – объединяются в гигантские вращающиеся системы – галактики. В 18-м столетии У. Гершель, подсчитывая количество звезд в различных частях неба, пришел к выводу, что на небе присутствует диск, который делит небесную сферу на две равные части и где количество звезд максимально. Это и есть круг, на котором располагается наша галактика – Млечный Путь. Он имеет диаметр 100000 световых лет и состоит примерно из 3∙1011 звезд общей массой 3∙1012 масс Солнца. Сначала предполагали, что все объекты во Вселенной являются членами нашей галактики. Но еще Кант считал, что некоторые туманности могут быть звездными системами, подобными нашей. В 1781 г. Ш. Мессье опубликовал первый каталог, содержащий более 100 таких объектов. До сих пор многие туманности обозначают при помощи буквы M, как это делал Мессье (например, Туманность Андромеды – M31). Самого Мессье интересовали лишь кометы; туманности он считал не более чем оптическими помехами. У. Гершель к началу 19 в. нашел и описал положение около 2,5 тысяч туманностей; его сын Дж. Гершель, увеличил цифру до 5079. Не все туманности оказались далекими галактиками: часть из них, которые удалось разложить на звезды, оказались частями нашей Галактики; многие другие оказались облаками горячего газа. Излучение некоторых туманностей по своему спектру напоминало излучение звезд; тем не менее обнаружить в их составе отдельные звезды не удавалось. Так что к 1920 году существование других галактик было предметом научных дискуссий. И лишь в 1924-26 годах Э. Хаббл на фотографиях M31 обнаружил цефеиды – звезды, периодически изменяющие свой блеск. Были измерены расстояния до многих туманностей. Оказалось, что красное смещение в спектре этих объектов пропорционально расстоянию до них. Если это красное смещение интерпретировать, как доплеровское, то это означает, что галактики удаляются от нас со скоростями, пропорциональными расстоянию. Так было открыто Метрическое расширение пространства – однородное и изотропное расширение пространства во всей Вселенной.
До второй мировой войны исследования далеких галактик затруднялись тем, что наблюдения велись только в оптическом диапазоне. Развитие радиоастрономии резко раздвинуло горизонты. Теперь внегалактические объекты можно наблюдать во всех частях электромагнитного спектра – от радиоволн до гамма-излучения. Это позволило проникнуть в самые далекие регионы Вселенной: в созвездии Большой Медведицы зарегистрирована галактика GN-z11, сопутствующее расстояние до которой оценивается в 32 млрд. световых лет. Для сравнения расстояния до ближайших к нам галактик: до Магеллановых облаков ≈0,15 млн. световых лет; до Туманности Андромеды≈2 млн. световых лет.
Настоящей революцией в изучении Вселенной стало применение космических телескопов. С помощью них стало возможным изучать не только отдельные галактики, но более крупные образования – галактические скопления и сверхскопления. Сверхскопления образуют в пространстве гигантские волокнистые структуры – кластеры. В одном из таких кластеров под названием Ланиакея содержится Свехскопление Девы, составной частью которой является Местная группа галактик, содержащая Млечный Путь.

Суперкластер Ланиакея

Изучение крупномасштабной структуры Вселенной показывает, что неоднородное распределение Галактик в пространстве наблюдается на масштабах < 100 Мпк; напротив, на больших масштабах структура Вселенной однородна: она состоит из ячеек, стенки которых образуют галактические нити. Это можно считать одним из основополагающих экспериментальных фактов, лежащих в основании современной космологии.
Перечислим здесь другие важные и однозначно интерпретируемые факты относительно свойств Вселенной.
1. Самый распространенный элемент во Вселенной – водород (Доля элементов: H – 75%, He – 23%, O – 1%, C – 0,5%). Средняя плотность вещества =10-29г/см3 . Из них на долю барионного вещества приходится 4,9 %, на темную энергию приходится 68,3 % и на темную материю – 26,8%.
2. Наблюдается расширение Вселенной: удаленные галактики разбегаются друг от друга со скоростями, пропорциональными расстоянию между ними.
3. Во всех направлениях неба наблюдается реликтовое излучение – фоновое микроволновое излучение с температурой ≈2,72 К.
4. Наличие Lα-леса в спектрах далеких объектов.
Задачи, которые ставит перед собой космология: 1) объяснить происхождение химических элементов; 2) объяснить ход развития Вселенной; 3) установить причину наблюдаемого расширения Вселенной; 4) объяснить возникновение крупномасштабной структуры Вселенной.
В данном реферате мы покажем, как и с помощью каких инструментов эти задачи решались и решаются во внегалактической астрономии; нас будет интересовать также как получаемые экспериментальные данные интерпретируются в рамках стандартных космологических моделей.


1. Открытие галактик. Закон Хаббла. Космологический принцип

Открытие и классификация галактик
Наблюдения за цефеидами, пульсирующими переменными звездами, Эдвин Хаббл осуществил в 1922-23 г в Маунт-Вилсоне (Калифорния) с помощью самого мощного на тот момент в мире телескопа Хукера. Он обнаружил цефеиды в нескольких спиральных туманностях, в т. ч Туманность Андромеды и Треугольник. Цефеиды представляют собой желтые яркие гиганты или сверхгиганты, они входят в спектральные классы F и G. Известно, что они в 1000-100000 раз ярче Солнца. Причиной переменности их светимости является периодическая с периодом 1-200 суток пульсация их внешних слоев. Периодически меняются радиус и температура фотосфер: наибольшая температура достигается при наименьшем диаметре.
Средняя абсолютная звездная величина у классических цефеид зависит от периода по формуле:

Это означает, что их можно использовать в качестве стандартных свеч для определения расстояния. Световой поток убывает с расстоянием по закону обратных квадратов:
F=L4πD2
L- светимость, D-расстояние.
Измерения Хаббла показали, что полученные расстояния слишком велики, чтобы эти объекты были частями нашей галактики.
Следующий шаг – это классификация существующих галактик. Хаббл предложил морфологическую классификацию. Все галактики делятся на 3 больших класса.
1. Эллиптические. Характеризуются гладкой эллиптической формой. Их яркость заметно уменьшается от центра к периферии. Обозначается символом E с указанием «индекса сплющенности»:

a и b- большая и малая полуоси эллипса. Известно, что эллиптические галактики состоят из старых звезд и почти полностью лишены газа.
2. Спиральные. Уплощенный диск из звезд и газа. В центре – сферическое уплотнение – балдж, а также обширное сферическое гало. В плоскости диска формируются спиральные рукава. Они состоят из молодых звезд, газа и пыли. Спиральные галактики можно подразделить на нормальные спирали (S) и спирали с перемычкой (SB). Как правило, наблюдаются два больших спиральных рукава.
Sa- галактики с большим балджем и туго закрученными спиралями;
Sc- небольшой балдж и клочковатая структура спиралей.
В класс Sb относим галактику, которую по каким-то причинам нельзя отнести ни к классу Sa, ни к классу Sc.
Галактика Млечный Путь относится к типу спиральных галактик с перемычкой.
3. Неправильные или иррегулярные. Это галактики, у которых нет ни ядра, ни вращательной симметрии. Типичный представитель – Магеллановы облака. Обозначаются символом I.
4. Линзовидные. Их строение сходно со спиральными, но у них нет спиральной структуры. Обозначается SO.
В последствии классификация Хаббла была дополнена А. Сендиджем и де Вокулером. В 40-50-е годы У. Морган из Йеркской обсерватории разработал классификацию галактик, учитывающую их спектр (по типу спектральных классов звезд), форму, а также степень их концентрации к центру.


Классификация галактик по Хабблу

Закон разбегания галактик
Еще более удивительным было открытие Хабблом разбегания галактик.
Они разбегаются одна от другой по закону v=H0r,
где v-скорость галактики; r-расстояние до нее; H0- постоянная Хаббла.
Другая форма этого закона: cz=H0r
z- красное смещение. z служит стандартным обозначением расстояния в космологических исследованиях наших дней.
Оно представляет собой сдвиг спектральных линий химических элементов в длинноволновом направлении:
z=λ-λ0λ
λ- длина волны в точке наблюдения; λ0-длина волны в точке испускания.
При приближении объекта к наблюдателю происходит смещение линий в сторону коротких волн (синее смещение), а при удалении – наоборот, в сторону длинных волн

. Поскольку в спектрах далеких галактик наблюдается красное смещение, то это значит, что они удаляются от нас. Чем дальше расположена галактика, тем сильнее красное смещение, т. е. тем быстрее она от нас удаляется.
В основе этого эффекта лежит эффект Доплера. Если источник движется с лучевой скоростью vr и полной скоростью v, то
zD=1+vrc1-vc2-1

У скорости объекта две проекции: лучевая (радиальная) и азимутальная (трансферсальная). Наблюдатель находится в точке O. Лучевая скорость – это скорость объекта в направлении луча зрения. Если объект приближается, то vr<0, а если удаляется, то vr>0.

Красное смещение от далеких галактик было открыто В. Слайером еще в 1912-14 гг; в 1929 Э. Хаббл обнаружил, что это смещение пропорционально расстоянию до галактик. В наблюдаемое доплеровское смещение вносят вклад собственное движение галактик и расширение самого пространства Вселенной. На больших расстояниях космологический вклад становится преобладающим.
Объяснить красное смещение можно следующим образом. В то время, как свет летит через космос, пространство расширяется. Вместе с ним расширяется и волновой пакет, соответственно, увеличивается длина волны.

Возраст Вселенной. С помощью закона Хаббла можно примерно оценить возраст Вселенной (хаббловский возраст Вселенной):
tH=rv=1H0
Если расширение происходит равномерно, значение H0 должно уменьшаться. Индекс 0 означает, что величина H0 относится к современной эпохе. Значение Н0 определяется по исследованиям галактик, расстояния до которых определены без помощи красного смещения (в основном, по ярчайшим звёздам или цефеидам).
Н0 = (67,80 ± 0,77) (км/c)/Мпк = 2,2∙10-18с-1
Проблема оценки постоянной Хаббла заключается в том, что галактики обладают собственными (пекульными) скоростями, достигающими 1000 км/c. В результате закон Хаббла плохо выполняется для объектов, расположенных на расстоянии ближе 10-15 млн св. лет, то есть именно для тех галактик, удаленность которых наиболее точно определяются без красного смещения.
Космологический принцип. В законе Хаббла можно усмотреть одно из проявлений космологического принципа. Этот принцип был сформулирован в 1935 г. английским астрофизиком и математиком А. Милном: «Наблюдатели, независимо от места и направления наблюдения, в среднем обнаруживают одну и ту же картину».
Космологический принцип является следствием однородности и изотропности пространства. Космологические теории А. Эйнштейна, В. де Ситтера и А. Фридмана базировались на космологическом принципе.
Космологический принцип справедлив лишь для масштабов, значительно превышающих размер скопления галактик (~108 млн. световых лет). На таких масштабах проявляется практически однородная ячеистая макроструктура Вселенной, элементами которой являются галактические нити, стены и войды. Системы с размерами >100 Мпк имеют плотность, лишь на несколько процентов выше, чем средняя плотность Вселенной. Если взять куб с ребром ~0,5 млрд. световых лет, то количество звезд и галактик внутри него будет примерно одинаковым (независимо от положения этого куба в пространстве). В видимой части Вселенной могут разместиться несколько тысяч таких кубов.
Свойства Вселенной, следующие из космологического принципа:
1) Вселенная как целое не должна вращаться; 2) У Вселенной нет центра и нет границы.
Закон Хаббла, который есть не что иное, как проявление эффекта изотропного и однородного расширения Вселенной, является единственным законом разбегания галактик, не противоречащим космологическому принципу. Любая фигура, заключающая две произвольно выбранные галактики, должна увеличиваться так, чтобы оставаться подобной самой себе. Поэтому если галактика расположена в N раз дальше от произвольно выбранного центра, то она должна двигаться в N раз быстрее.

Отметим, что хаббловское расширение (хаббловский поток) было теоретическо предсказано в 1920-е годы А. Фридманом. Его теория однородной и изотропной Вселенной стала теоретическим развитием общей теории относительности. Фридман исследовал нестационарные модели с пространством положительной, отрицательной и нулевой кривизны, заполненным пылевидной материей. Одной из полученных моделей была как раз модель расширяющейся Вселенной. В этой модели он предсказывал существование красного смещения, пропорционального расстоянию.
Другое доказательство изотропии Вселенной – малая величина анизотропии реликтового излучения (около 10-5).

2. Реликтовое излучение

Реликтовым излучением называют космическое микроволновое фоновое излучение. Оно равномерно заполняет Вселенную, сформировалось в эпоху первичной рекомбинации водорода. Вселенная постепенно охлаждалась (379 тыс. лет после Большого взрыва); когда температура достигла 3000 К, электроны смогли соединяться с замедлившимися протонами и альфа-частицами – образуются атомы. Материя из состояния плазмы перешла в газообразное состояние. Тепловое излучение этой эпохи мы и наблюдаем в виде реликтового излучения. Наблюдаемая сфера, соответствующая моменту излучения реликтовых фотонов, называется поверхностью последнего рассеяния. Это – наиболее удаленный объект, который возможно наблюдать в электромагнитном спектре. Красное смещение для реликтового излучения ≈1000.
Реликтовое излучение обладает высокой изотропностью (с точностью до 18 мкК). Спектр совпадает со спектром абсолютно черного тела. Максимум соответствует температуре ~2,72 K. Плотность энергии - 4∙10-14 Дж/м3 или 400-500 фотонов/см3. Реликтовое излучение является поляризованным. В его структуре можно выделить E- моду (градиентная составляющая) и B-моду (роторная составляющая). B-мода является признаком инфляции Вселенной и определяется плотностью первичных гравитационных волн. По данным на 2015г. экспериментальных данных об открытии B- моды нет.
Существование реликтового излучения теоретически предсказано Гамовым в рамках теории Большого взрыва. Экспериментально открыто в 1965. Открытие могло произойти несколько раньше. В 1955 г. в Пулковской обсерватории аспирант Т. А. Шмаонов открыл шумовое СВЧ излучение на длине волны 32 см. Температуру этого излучения он оценил как 4±3 К. Интенсивность излучения не зависела от направления на небе и от времени. Когда в начале 60-х годов Р. Дикке и Я. Зельдович вновь пришли к теории Гамова, в Принстонском университете создали радиометр Дикке для измерения реликтового излучения. Независимо А. Пензиас и Р. В. Вильсон построили прибор, аналогичный прибору Дикке. Они намеревались его использовать в области спутниковых коммуникаций. При калибровке выяснилось, что антенна имеет избыточную шумовую температуру 3,5 К. В 1978 г. они получили Нобелевскую премию.
Открытие анизотропии реликтового излучения
В 1983 г. действовал советский проект исследования реликтового излучения РЕЛИКТ-1. На орбиту был выведен телескоп (это был первый в истории такой эксперимент с использованием космических аппаратов). Были составлены радиокарты неба. В январе 1992 в ГАИ им. П. К. Штернберга российские ученые объявили об открытии анизотропии реликтового излучения. Далее американцы запустили программу COBE и в 2006г. получили Нобелевскую премию.
Причины анизотропии реликтового излучения
Дипольная анизотропия
В 1970-е годы открыли, что в направлении созвездия Льва температура реликтового излучения на 0,1 % выше средней, а в противоположном направлении – на столько же ниже. Этот эффект связан с тем, что Солнечная система движется в пространстве в сторону созвездия Льва. Скорость этого движения ≈370 км/с. Вклад дает также движение самой Галактики. Ее скорость ≈620 км /с. Скорость относительно реликтового излучения называется пекульной скоростью. Таким образом, реликтовое излучение можно принять в качестве истинно инерциальной системы отсчета, относительно которой можно определять собственные скорости галактик.
Вторичная анизотропия
Вторичная анизотропия возникает в результате распространения фотонов от поверхности последнего рассеяния до наблюдателя. Фотоны могут рассеиваться на свободных зарядах, таких как электроны. Это означает, что был в истории Вселенной период реионизации, когда некоторое количество вещества было разбито на ионы и электроны. Большая часть объема межгалактической среды состоит сейчас из ионизированного газа. Ионизация газа на ранних этапах развития, когда Вселенная была намного плотнее, означает следующее.
1) мелкомасштабные флуктуации будут стерты;
2) томпсоновское рассеяние вызовет анизотропию поляризации на больших угловых масштабах, которая будет коррелировать с температурной анизотропией.
Оба эти эффекта наблюдались космическим телескопом WMAP.
Что явилось причиной ионизации на ранних этапах? Возможно, излучение самых первых звезд и ионизирующее излучение аккреционных дисков массивных черных дыр.
Эффект Сюняева-Зельдовича
Представляет собой изменение интенсивности реликтового излучения вследствие обратного эффекта Комптона на высокоэнергетичных электронах межзвездного и межгалактического газа (предсказан в 1969)