какое земное атмосферное образование напоминают некоторые галактики

Солнечная система: строение и характеристика

Рассказываем, как устроена звёздная система, в которой мы живём. Какие планеты вращаются вокруг Солнца, что находится в межпланетном пространстве и другие интересные сведения о нашей Солнечной системе.

Солнечная система — звёздная система в галактике Млечный Путь, включающая Солнце и естественные космические объекты, обращающиеся вокруг него: планеты, их спутники, карликовые планеты, астероиды, метеороиды, кометы и космическую пыль.

Строение Солнечной системы

В состав солнечной системы входит восемь основных планет и пять карликовых, вращающихся приблизительно в одной плоскости. По своим физическим свойствам планеты делятся на земную группу и планеты-гиганты.

Планеты земной группы относительно небольшие и плотные, состоят из металлов и минералов. К ним относятся:

Планеты-гиганты во много раз больше других планет, они состоят из газов и льда. Это:

Орбита Земли делит солнечную систему на две условные области. Во внутренней находятся ближайшие к Солнцу планеты — Меркурий и Венера. Во внешней области — более удалённые от Солнца, чем Земля: Марс, Юпитер, Сатурн, Уран и Нептун.

Пространство между орбитами Марса и Юпитера, а также за Нептуном (пояс Койпера) занимают малые небесные тела: малые планеты и астероиды. Также по пространству Солнечной системы курсируют кометы и потоки метеороидов.

Рассмотрим планеты солнечной системы по порядку.

Состав Солнечной системы

Солнце

Звезда класса «жёлтый карлик». 98% массы Солнца приходится на водород и гелий, но в нём также содержатся все известные химические элементы. Солнце ярче, чем 85% звёзд в галактике, а температура его поверхности превышает 5 700°C.

Солнце почти в 110 раз больше Земли, а его масса в тысячу раз превосходит массу всех планет, вместе взятых. Именно благодаря солнечному свету и теплу на Земле существует жизнь.

Меркурий

Самая близкая к Солнцу и самая маленькая планета солнечной системы — Меркурий лишь немного больше Луны. Меркурий получает в семь раз больше тепла и света, чем Земля, поэтому температура его поверхности колеблется от +430°C днём до −190°C ночью. Это самый большой температурный перепад в солнечной системе.

Несмотря на то что люди наблюдали Меркурий на небе с древнейших времён, известно о нём немного. Первый снимок его поверхности был получен только в 1974 году. Она оказалась покрыта многочисленными кратерами и скалами.

Атмосфера практически отсутствует — возможно, причиной тому солнечное излучение, а может быть, небесное тело такого размера просто не в состоянии удерживать плотную газовую оболочку.

Поскольку для оборота вокруг Солнца Меркурию нужно пройти гораздо меньшее расстояние, чем Земле, год на нём значительно короче — всего 88 земных суток. За один меркурианский день успевает пройти более двух местных лет. Поскольку ось вращения планеты почти не наклонена, год на ней не делится на сезоны.

Меркурий назван по имени древнеримского бога торговли и хитрости.

Венера

Венера окутана очень плотным слоем облаков, за которыми невозможно разглядеть поверхность. Из-за парникового эффекта она нагревается до 480°C — абсолютный рекорд для солнечной системы. Облака проливаются кислотными дождями и пропускают только 40% солнечного света, поэтому на планете царит вечный сумрак.

Из-за сильнейшего атмосферного давления (как на глубине 900 метров в земных океанах) ни один исследовательский аппарат, отправленный на Венеру, не просуществовал дольше двух часов. Тем не менее учёным удалось узнать, что атмосфера планеты на 94% состоит из углекислого газа, а состав грунта не отличается от других планет земной группы. На Венере много вулканов, но почти нет кратеров — все метеориты сгорают в плотной атмосфере.

День на Венере длится дольше, чем на любой другой планете — около 243 земных суток. Продолжительность года чуть уступает дню — 225 земных суток. Как и на Меркурии, сезонов на Венере нет.

Облака Венеры хорошо отражают солнечный свет, поэтому на земном небе планета светится ярче других. Возможно, именно поэтому древние римляне связали её с богиней красоты и любви. Примечательно, что Венера — одна из двух планет солнечной системы, вращающихся вокруг оси по часовой стрелке.

Земля

Земля — третья планета от Солнца и крупнейшая в земной группе. Уникальные условия Земли позволили развиться на планете жизни.

Атмосфера Земли состоит из азота (78%), кислорода (21%), углекислого и других газов (1%). Кислород и азот — необходимые вещества для строительства ДНК. Озоновый слой атмосферы поглощает солнечную радиацию. Кислород на Земле синтезируют растения из углекислого газа. Не будь их, наша планета напоминала бы Венеру. С другой стороны, некоторое количество CO2 в атмосфере обеспечивает на Земле комфортную для жизни температуру.

70% поверхности Земли покрыты водой. В отличие от Луны и Меркурия, на Земле очень мало кратеров. Учёные считают, что они исчезли под воздействием ветра и эрозии почвы.

Из-за наклона Земной оси (23,45°) на Земле хорошо различимы сезоны года. Для оборота вокруг своей оси Земле требуется чуть менее 24 часов — это самый короткий день среди планет земной группы.

Земля имеет спутник — Луну. Её размер составляет ¼ земного диаметра, что довольно много для спутника. Притяжение Луны влияет на земную воду, вызывая приливы и отливы. Вращение Луны вокруг своей оси и вокруг Земли синхронно, поэтому Луна всегда обращена к Земле только одной стороной.

Земля — единственная планета, название которой не связано с мифологией. И русское «земля», и английское «earth», и латинское «terra» обозначают почву или сушу.

Марс — четвертая планета от Солнца — меньше Земли почти в два раза. Долгое время считалось, что на красной планете существует жизнь. Люди наблюдали на его поверхности объекты, казавшиеся им постройками, дорогами и даже гигантскими скульптурами. Однако на поверку марсианская цивилизация оказалась обманом зрения. Многочисленные исследовательские миссии пока тоже не подтвердили наличие какой-либо жизни на поверхности планеты.

Атмосфера Марса по составу напоминает венерианскую — 95% углекислого газа. Но поскольку она очень тонкая и разреженная, парникового эффекта не возникает, поэтому максимальная температура поверхности планеты — около 0°C, а атмосферное давление в 160 раз меньше, чем на Земле. В составе марсианской атмосферы есть водяной пар, а на полюсах лежат шапки ледников, но жидкой воды на поверхности нет.

И всё же учёные считают Марс самой перспективной планетой для освоения, поскольку погодные условия на ней довольно приемлемы для человека. Если не считать низкое содержание кислорода в атмосфере, радиацию и пылевые бури, длящиеся по несколько месяцев. На Марсе находится самая высокая гора в солнечной системе — вулкан Олимп, высота которого 27 километров. Это в три раза выше Эвереста, высочайшей горы Земли.

Из-за удалённости от Солнца год на Марсе почти в два раза длинней земного. Скорость вращения вокруг своей оси почти такая же, как на Земле, так что сутки длятся 24 часа 40 минут. Наклон оси Марса составляет 25,2°, а значит, на нём, как и на Земле, существуют сезоны.

Марс имеет два спутника — Фобос и Деймос, представляющие собой бесформенные каменные глыбы сравнительно небольших размеров. Из-за красного цвета древние римляне назвали планету именем бога войны.

Юпитер

Юпитер, самая большая из планет-гигантов, отделена от Марса поясом астероидов. Масса Юпитера в два раза больше, чем масса всех остальных планет, лун, комет и астероидов системы вместе взятых. По яркости на земном небе он уступает только Венере. Люди наблюдали его с древнейших времён и связывали с сильнейшими богами своих пантеонов. Юпитер — имя римского царя богов.

Юпитер является газовым гигантом. Коричневые и белые полосы — это облака соединений серы, которые движутся в атмосфере планеты с чудовищной скоростью. Большое красное пятно Юпитера — гигантский вихрь. С момента его обнаружения в 1664 году он стал заметно меньше, но и теперь в несколько раз превосходит Землю по размерам.

О структуре планеты учёные пока только догадываются. Предположительно она состоит из газов, плавно переходящих в металлическое состояние по мере приближения к ядру. Считается, что ядро Юпитера каменное. Сильнейшее в системе магнитное поле Юпитера воздействует на частицы в миллионах километрах вокруг и даже достигает орбиты Сатурна. Это одна из причин огромного числа спутников у планеты.

В 1610 году астроном Галилео Галилей обнаружил четыре крупнейших спутника Юпитера. В наше время известно 79 объектов, вращающихся вокруг планеты. Некоторые из них напоминают Луну, другие выглядят как большие астероиды. Особый интерес представляет Ио — планета с мощнейшими в системе вулканами. Более мелкие частицы образуют вокруг Юпитера кольца, хотя они не так заметны, как у соседнего Сатурна.

Сатурн

Шестая планета от Солнца. Как и спутники Юпитера, Сатурн был обнаружен Галилеем в начале XVII века. На сегодняшний день эта планета остаётся одной из наименее изученных.

Атмосфера Сатурна состоит из водорода (96%) и гелия (4%) с незначительными вкраплениями других газов. Скорость ветра на Сатурне достигает 1 800 км/ч — это самые сильные ветра в системе. Облака в его атмосфере тоже образуют полосы и пятна гигантских вихрей, хоть и менее заметные, чем на Юпитере.

О происходящем за атмосферным слоем планеты известно мало. Предположительно, в центре находится металлосиликатное ядро, окружённое спрессованными до состояния металла газами, плотность которых уменьшается по мере удаления от ядра.

Планета находится в 9,5 раз дальше от Солнца, чем Земля, и делает оборот вокруг звезды за 29,5 земных лет. Наклон оси Сатурна напоминает земной. По скорости вращения вокруг своей оси Сатурн уступает только Юпитеру. Как и у других газовых гигантов, скорость вращения на разных широтах у планеты разная. Это происходит потому, что поверхность Сатурна текучая, а не твёрдая. Плотность Сатурна так мала, что он мог бы плавать на поверхности воды.

Главная особенность Сатурна — впечатляющая система из семи колец. Они состоят из миллиардов ледяных осколков, которые отлично отражают свет, а потому хорошо заметны. Радиус колец огромен — 73 000 километров, а толщина — всего 1 километр. Считается, что эти кольца — осколки спутника, разрушенного гравитацией планеты.

Недавние исследования показали, что вокруг Сатурна вращаются 82 спутника — на данный момент это рекорд солнечной системы (до 2016 года лидером считался Юпитер). Все спутники покрыты льдом. Крупнейший, Титан, имеет плотную азотистую атмосферу и озёра жидкого метана на поверхности. На другом спутнике, Энцеладе, обнаружена жидкая вода, выталкиваемая на поверхность гейзерами. Это делает его крайне интересным объектом для изучения.

Сатурн назван именем древнеримского бога времени, отца Юпитера.

Седьмая планета от Солнца. Уран был открыт сравнительно недавно — в 1781 году. В 1986 году его достиг единственный космический аппарат — «Вояджер-2».

Как и Сатурн, Уран окружён кольцами. Они не столь яркие и расположены под углом около 90° к орбите, в то время как сама планета вращается «на боку» (угол отклонения оси — 99°). В результате половину уранианского года на южном полушарии длится день, а на южном — ночь. А следующие полгода — наоборот.

Подобно Венере, Уран вращается вокруг своей оси по часовой стрелке. На настоящий момент известно 23 спутника Урана, все покрыты льдом. Уран назван именем древнегреческого бога неба, отца Сатурна, и продолжает «семейную» линию.

Нептун

Нептун находится так далеко, что его нельзя увидеть с Земли невооружённым глазом. Он был открыт в 1846 году, когда астрономы искали планету, вызывающую орбитальные отклонения Урана.

Достоверные данные о Нептуне получены «Вояджером-2» в 1989 году. Верхние слои его атмосферы состоят из водорода (80%), гелия (19%) и метана (1%). Именно обилием метана объясняется сине-голубое свечение планеты.

Раз в несколько лет в атмосфере планеты появляются и исчезают тёмные пятна штормов. Предположительно в центре Нептуна — ледяное ядро, а мантия состоит из жидкой смеси воды и аммиака. Средняя температура поверхности — −214°С.

Солнечный свет достигает Нептуна почти за 5 часов, а нептунианский год равен 165 земным. Полный оборот вокруг своей оси планета делает довольно быстро — сутки длятся всего 17 часов. Наклон оси Нептуна близок к земному — 28°.

На настоящий момент учёные знают о 14 спутниках Нептуна, лишь один из которых (Тритон) обладает сферической формой. Это единственный в системе крупный спутник с обратным вращением. У Нептуна есть три кольца, хотя выражены они слабо.

За глубокий синий цвет планета была названа именем древнеримского бога морей.

Учите астрономию вместе с домашней онлайн-школой «Фоксфорда»! По промокоду ASTRO10112021 вы получите бесплатный доступ на одну неделю к курсу астрономии за 10 и 11 классы.

Другие объекты Солнечной системы

Помимо планет и их спутников, в солнечную систему входит множество малых небесных тел — карликовых планет, астероидов, комет и метеороидов.

Большинство астероидов сосредоточено в поясе между орбитами Марса и Юпитера. Это объекты неправильной формы, состоящие из металлов и силикатов. Хотя некоторые астероиды даже имеют собственные спутники, их масса слишком мала, чтобы удерживать атмосферу. Крупнейшие — карликовая планета Церера, астероиды Паллада, Веста и Гигея.

За орбитой Нептуна расположен пояс Койпера — средоточие ещё почти неизученных объектов. Самым крупным из них являются карликовая планета Плутон со спутником Хароном.

Под действием гравитации планет орбиты астероидов могут меняться и пересекаться. Иногда это приводит к столкновению. Планеты притягивают метеорные тела — обломки небесных тел. Если атмосфера планеты плотная — они сгорают при падении, но самые крупные всё же достигают поверхности, образуя кратеры. Последний известный случай падения метеорита на Землю произошёл в Челябинской области в 2013 году.

Кометы — малые небесные тела, движущиеся по вытянутым орбитам. Они состоят из замёрзших газов и космической пыли. По мере приближения к Солнцу частицы вещества нагреваются, образуя горящую голову и хвост кометы. Самая известная комета — Галлея — обращается вокруг Солнца за 76 лет.

Постепенно кометы разрушаются, превращаясь в поток более мелких частиц — метеороидов. Из-за небольших размеров они легко притягиваются планетами, но сгорают в плотной атмосфере. Горящие метеоры выглядят с Земли как падающие звёзды. Поэтому метеорный поток в просторечии называют звездопадом.

Движение объектов солнечной системы

Все объекты солнечной системы вращаются вокруг Солнца по эллиптическим орбитам. Наиболее близкую к Солнцу точку орбиты называют перигелием, а самую удалённую — афелием.

Орбиты планет расположены приблизительно в одной плоскости, поэтому периодически на Земном небе можно наблюдать Парад планет — явление, при котором несколько небесных тел будто бы выстраиваются в одну линию на небольшом угловом расстоянии друг от друга.

Межпланетное пространство

Планеты вращаются не в абсолютной пустоте — пространство между ними заполнено малыми небесными телами, вращающимися по собственным орбитам, блуждающими кометами, потоками метеорных тел и космической пылью.

Кроме того, Солнце излучает мощнейший поток заряженных частиц, называемый «солнечным ветром». Он распространяется по системе с чудовищной скоростью — до 1 200 км/с. Именно солнечный ветер порождает магнитные бури, полярные сияния и радиационные пояса планет.

Расположение Солнечной системы в Галактике

Солнце — одна из 200 миллиардов звёзд Млечного Пути, оно находится в одном из его спиральных рукавов — рукаве Ориона — на расстоянии 27 000 световых лет от центра Галактики.

Как планеты вращаются вокруг Солнца, так и Солнце вращается вокруг центра Галактики. Солнечная система движется сквозь космическое пространство со скоростью в 250 км/с — это в сотни тысяч раз быстрее самого мощного сверхзвукового самолёта.

Полный оборот вокруг центра Млечного Пути солнечная система совершает за 226 миллионов лет — эта величина называется галактическим годом.

Изучение Солнечной системы

Долгое время человечество было убеждено, что все звёзды и планеты вращаются вокруг Земли. Система мира с неподвижной Землёй в центре была разработана греческим учёным Птолемеем во 2 веке до нашей эры и просуществовала более полутора тысяч лет.

В 1453 году польский астроном Николай Коперник доказал, что Земля, как и другие планеты (на тот момент их было известно шесть), вращаются вокруг Солнца. Однако вплоть до XVII века церковь считала это учение ересью и боролась с его последователями.

Одним из них был итальянский монах Джордано Бруно. В 1584 году он опубликовал исследование, в котором утверждал, что Вселенная бесконечна, а Солнце подобно остальным звёздам, просто находится гораздо ближе к Земле. Бруно был схвачен инквизицией и приговорён к сожжению на костре как еретик.

Другим последователем Коперника стал итальянский учёный Галилео Галилей. Он создал первый телескоп, который позволил увидеть кратеры Луны, пятна на Солнце, открыть четыре спутника Юпитера и установить, что планеты вращаются вокруг своей оси. Чтобы не повторить судьбу Бруно, Галилей был вынужден отречься от своих идей.

В XVII веке немецкий астроном Иоганн Кеплер открыл законы движения планет — ему удалось установить связь между скоростью вращения планеты и её расстоянием от Солнца. Его идеи воспринял знаменитый английский физик Исаак Ньютон, создатель теории всемирного тяготения.

В XVIII—XIX веках открытия в области оптики позволили создать более мощные телескопы, которые позволили учёным узнать больше о солнечной системе. Были открыты планеты Уран и Нептун.

В 1951 году Советский Союз вывел на орбиту Земли первый искусственный спутник. С этого момента началась Космическая эра — эпоха практического изучения солнечной системы.

В 1961 году Юрий Гагарин стал первым человеком, побывавшем в космосе, а в 1969 году космический корабль «Аполлон-11» доставил людей на Луну.

В 1970-х годах Советский Союз и США запустили несколько десятков аппаратов для исследования Марса, Венеры и Меркурия, а запущенные в 1980-х аппараты «Вояджер-1» и «Вояджер-2» позволили получить данные о дальних планетах — Юпитере, Сатурне, Уране, Нептуне и их спутниках. Большую роль в изучении солнечной системы сыграл вывод на орбиту Земли космического телескопа «Хаббл» в 1990 году.

В нынешнем десятилетии космические агентства разных стран планируют пилотируемый полёт на Марс. Экспедиция на другую планету станет величайшим событием в истории освоения солнечной системы. И всё же пока человечество находится в самом начале пути изучения космоса.

Источник

Недавняя активность ядра Млечного Пути запечатлелась во флуоресценции Магелланова Потока

Рис. 1. Кадры из симуляции поглощения газового облака G2 черной дырой Sgr A* в центре Млечного Пути в 2012–2014 годах. Синие эллипсы — орбиты известных звезд вблизи дыры. Видео с сайта space.com

Узкий участок Магелланова Потока, находящийся непосредственно над центром Млечного Пути, проявляет избыточное свечение в линии Hα, которое нельзя объяснить засветкой от скоплений молодых звезд в Галактике. Если предположить, что газ был возбужден ультрафиолетовым излучением, связанным с джетами центральной черной дыры, то ядро Млечного Пути должно было быть намного более активным в недавнем по космическим меркам прошлом. Необходимые для объяснения избыточной эмиссии темпы поглощения вещества центральной черной дырой и связанная с ними светимость аккреционного диска в 10 8 раз больше современных значений и сравнимы с таковыми для типичных сейфертовских галактик. Таким образом, и Млечный Путь проходил в прошлом через стадию активной галактики.

Черные дыры и активные галактики

В центре почти каждой большой галактики имеется сверхмассивная черная дыра (СМЧД). Как и всякая черная дыра, СМЧД — это объект столь плотный и массивный, что его гравитация не позволяет ничему попавшему внутрь дыры улететь обратно, включая даже свет. Черные дыры в центрах галактик имеют массу от сотен тысяч до десятков миллиардов масс Солнца, и влияние их тяготения на объекты в центре галактик очень велико. Оно разгоняет обращающиеся вокруг дыры звезды (см., например, S2) и газопылевые облака до сотен и тысяч километров в секунду и способно поглощать, а также — за счет приливных сил — деформировать и разрушать газопылевые облака, а иногда даже сами звезды, проходящие вблизи.

Радиус черной дыры определяется радиусом горизонта событий — воображаемой поверхности, на которой вторая космическая скорость равна скорости света, — и является минимально возможным для объекта данной массы. Радиус пропорционален массе: r = 2GM/c 2 (в предположении, что черная дыра не вращается; здесь G — гравитационная постоянная, а c — скорость света) и для черной дыры в центре Млечного Пути, масса которой оценивается в 4,3 миллиона масс Солнца, равен примерно 12 миллионов километров — это впятеро меньше среднего расстояния от Меркурия до Солнца. Но размер области, где силы притяжения уже очень велики и разгоняют вещество до тысяч и десятков тысяч километров в секунду, гораздо больше. В этом и состоит объяснение того, что окрестности черных дыр как звездной, так и сверхмассивной весовой категории часто являются источниками интенсивного ионизирующего излучения и потоков заряженных частиц.

Как правило, приближающийся к черной дыре объект не может сразу попасть под горизонт событий — для этого нужно почти полное отсутствие касательной скорости. При заметном отличии ее от нуля (а это почти всегда так) объект только пройдет вблизи от дыры по сильно вытянутой орбите. Таким объектом может оказаться облако пыли и газа. Обычно размеры этих облаков в тысячи и даже миллионы раз больше диаметра дыры, а силы притяжения между близкими объемами вещества в них слабые. Поэтому вблизи от черной дыры скорости и траектории разных фрагментов облака могут очень сильно отличаться (рис. 1).

Огромные силы трения между сталкивающимися потоками газа, которые движутся с очень большими скоростями, приводят к их разогреву до десятков и сотен тысяч градусов и мощному свечению в ультрафиолетовом и рентгеновском диапазонах. Это происходит за счет кинетической энергии движущихся масс пыли и газа. Наиболее интенсивно эти процессы идут в периапсисе (ближайшей к центральному телу точке орбиты). Поэтому вещество теряет скорость и переходит на более близкие к черной дыре круговые орбиты — так образуется аккреционный диск. Газ в нем также испытывает трение между быстро вращающимися внутренними и медленно вращающимися внешними областями. За счет трения газ во внутренних областях замедляется и падает в черную дыру, при этом нагреваясь до десятков миллионов градусов и излучая еще мощнее. Но даже этот газ не попадает в дыру полностью: остаток «выстреливается» от ее полюсов в виде струй — джетов — со скоростями, близкими к скорости света. Детали этого процесса до сих пор неизвестны, но предполагается, что образованием джетов управляет не кумулятивный эффект, а магнитные поля аккреционного диска. Однако распространенность этого процесса очевидна: джеты имеются у многих активных галактик (рис. 2) и даже у двойных звездных систем вроде SS 433, в которых один из компонентов — черная дыра — поглощает вещество компаньона — обычной звезды.

Рис. 2. Галактика M87. Синяя полоса — джет, истекающий из окрестностей центральной черной дыры. Синее свечение представляет собой синхротронное излучение, вызванное взаимодействием движущихся с околосветовой скоростью электронов в плазме джета с магнитными полями галактики. Изображение с сайта apod.nasa.gov

Падение вещества в черную дыру — самый эффективный после аннигиляции процесс преобразования материи в энергию. Он может освобождать до десятков процентов энергии покоя вещества, то есть в несколько раз больше, чем термоядерный синтез в недрах звезд. Поэтому ядра активных галактик, называемых также сейфертовскими, имеют светимость, сравнимую со светимостью всей галактики, — много миллиардов солнечных. Иногда светимость ядра даже в сотни раз превышает светимость остальной галактики. Тогда галактика называется квазаром. Фаза квазара длится миллионы лет, что достаточно мало по космическим меркам, но через нее проходят многие галактики, особенно — пережившие недавнее слияние, когда их межзвездный газ смешивается, теряет орбитальную скорость и падает в черную дыру в новообразовавшемся центре. Квазар может образоваться и после столкновения Млечного Пути с туманностью Андромеды, которое ожидается через четыре миллиарда лет.

Был ли Млечный Путь активной галактикой?

Почему же мы не видим ядра Млечного Пути на ночном небе в созвездии Стрельца? Одна из причин — в том, что его заслоняет большое количество межзвездной пыли в плоскости галактики. Но наблюдения в дальнем инфракрасном и радиодиапазоне, в которых пыль прозрачна, показали, что окрестности черной дыры в Млечном Пути удивительно спокойны. Светимость непосредственных окрестностей черной дыры сопоставима с несколькими сотнями светимостей Солнца, что на девять порядков меньше, чем могло бы быть. Но было ли так всегда?

Первые свидетельства возможной активности Млечного Пути в прошлом появились в 1996 году, когда было обнаружено так называемое световое эхо: отразившееся от газопылевых облаков излучение вспышки активности в ядре. Это излучение шло к нам не прямо — сначала ему пришлось достичь «зеркала» в нескольких сотнях световых лет от центра Галактики. Поэтому оно запаздывает на некоторое время относительно излучения, которое идет к нам напрямик, то есть вспышка была на несколько сотен лет раньше, чем то, что мы сейчас видим (напомним, что мы видим окрестности центра Галактики такими, какими они были примерно 26 000 лет назад). В тот момент светимость окрестностей центральной черной дыры в течение некоторого времени достигала 10 31 –10 32 ватт (порядка 100 000 солнечных). Еще один небольшой всплеск активности может наблюдаться прямо сейчас, с аккрецией газового облака G2 массой в несколько земных (см. рис. 1)

Пузыри Ферми

Другим явлением, свидетельствующим о более ранней и гораздо более мощной и продолжительной активности, являются пузыри Ферми, названные так по имени Энрико Ферми, внесшего огромный вклад в понимание физики высокоэнергетических процессов, и открытые на снимках космического телескопа, названного его же именем (рис. 3). Эти пузыри образуют похожую на восьмерку структуру вокруг центра Галактики, с долями, простирающимися на тысячи световых лет перпендикулярно ее диску. «Стенки» пузырей, особенно их ближайшая к плоскости Галактики часть, излучают в рентгене, а остальные области — в гамма-диапазоне с энергией квантов до единиц и десятков ГэВ, что похоже на результат столкновении материи, окружающей Галактику, с мощным потоком горячего газа, идущего из ее центра.

Рис. 3. Пузыри Ферми. Сверху: карта неба в гамма-лучах энергии 2–5 ГэВ, снятая космическим телескопом Ферми. Снизу: изображение на основе этой карты. Конусы ионизированного и сильно разогретого газа наблюдались на рентгеновских снимках активных галактик — теперь такая структура найдена и в Млечном Пути. Изображения с сайта www.nasa.gov

Ученые, открывшие пузыри Ферми, предполагали несколько механизмов их образования, но наиболее интересный из них связан с тем, что ядро Млечного Пути было активным в прошлом, а пузыри Ферми появились при столкновении испускаемого центральной черной дырой джета с межгалактическим газом, двигающимся навстречу за счет притяжения Млечного Пути. То, что вещество в джете движется с околосветовой скоростью, способно объяснить наблюдаемый спектр гамма-излучения пузырей Ферми, а необходимая для их образования энергия укладывается в диапазон энерговыделения ядра галактики за период его активности.

Магелланов Поток

Рис. 4. Наша Галактика и ее окрестности. Магелланов Поток обозначен красной полосой под диском Галактики. Изображение с сайта ru.wikipedia.org

Еще одно свидетельство в пользу того, что ядро Млечного Пути могло проявлять значительную активность, пришло из изучения Магелланова Потока (красная полоса на рис. 4; см. также Magellanic Stream). Этот поток крайне разреженного газа, следующий за Большим и Малым Магеллановыми облаками, протянулся на 100° вдоль их орбиты вокруг Млечного Пути. Расстояние до Потока точно не определено и сейчас известно с большой погрешностью: оно оценивается в 55–100 кпк от ядра. Группа астрономов из Сиднейского университета под руководством Джосса Бленд-Хоторна (Joss Bland-Hawthorn) исследовала этот поток и обнаружила его неожиданно сильное и необычное свечение в линии Бальмера Hα.

Кванты света этой линии испускаются при переходе электрона в возбужденном атоме водорода, который является основным составляющим Магелланова Потока (содержание тяжелых элементов — в 10 раз меньше по сравнению с Солнцем), с третьего на второй энергетический уровень, и имеют длину волны 656,4 нм. Интенсивность свечения пропорциональна доле возбужденных атомов. Если газ был возбужден короткой вспышкой, то излучение затухает со временем, поскольку возбужденные атомы возвращаются в основное состояние, и, зная закон затухания (то есть все параметры, которые его определяют), можно рассчитать время вспышки по остаточной интенсивности. Характерное время рекомбинации, а значит, и спадания интенсивность флуоресценции, в условиях крайне разреженного газа потока составляет несколько сотен тысяч лет. Когда концентрация атомов в 10 20 раз меньше, чем в воздухе, а расстояние между атомами в сотни миллионов раз больше их размера, электронам и ядрам еще надо найти друг друга!

Изображение Потока в радиоволнах длиной 21 см, и его схематическое расположение относительно Галактики и ее спутников приведено на рисунке 5, а распределение интенсивности свечения в линии Hα — на рисунке 6. Магелланов Поток проходит над центром галактики как раз там, куда должен быть направлен джет черной дыры от сейфертовской вспышки, и именно в этой области свечение возбужденного газа в несколько раз сильнее, чем в остальном Потоке!

Рис. 6. Яркость свечения Магелланова Потока по данным различных обзоров. По вертикали — интенсивность излучения, по горизонтали — долгота в системе координат Магелланова Потока. Наиболее близкая к галактическому полюсу область соответствует l_M = 303°. Предполагаемая область воздействия излучения активного ядра отграничена вертикальным пунктиром. Синяя пунктирная кривая внизу — максимальный уровень излучения, который можно объяснить только фоновой засветкой от звездного населения и горячего газа Млечного Пути; зеленая линия — наблюдаемая средняя яркость в линии Hα. Зеленые стрелки соответствуют угасанию после эпизода активности со светимостью 0,1 от максимальной, если истинное расстояние до Потока равно 55 кпк (длинная стрелка) и 100 кпк (короткая стрелка). Схема из обсуждаемой статьи

По следам сейфертовской вспышки

Конечно, авторы исследования уделили внимание и альтернативным объяснениям избыточного свечения; подробности можно прочесть в исходной статье. Среди них и нагрев каскадом ударных волн от взаимодействия с межгалактическим веществом, и засветка фоновым ультрафиолетовым излучением всех звезд в Галактике. Однако, как было показано, эти механизмы не дают удовлетворительного объяснения, и это дополнительно подтверждает основную модель. На ней и сосредоточимся здесь. В отличие от фонового, излучение от аккреции на центральную черную дыру характеризуется гораздо более жестким спектром (рис. 7) и большей направленностью. Максимальная интенсивность этого излучения называется эддингтоновским пределом, который задается такой светимостью, выше которой давление электромагнитного излучения превышает силу притяжения центрального объекта и приводит к рассеиванию аккреционного диска. Эддингтовский предел пропорционален массе черной дыры: L = 35000*M_СМЧД светимостей Солнца. Для Млечного Пути с его сравнительно легкой сверхмассивной черной дырой (4,3 миллионов масс Солнца), он соответствует темпу аккреции 0,2 солнечных массы в год и светимости 1,4·10 11 L_sol, из которых значительная доля приходится на излучение с энергией больше 13,6 эВ. Благодаря этому максимальная возможная мощность ультрафиолетовой компоненты в десятки раз превышает интенсивность фонового излучения всех звезд в Галактике. Некоторые сейфертовские галактики, например, NGC 1068, имеют светимость ядра, близкую к пределу Эддингтона, но из статистики наблюдений следует, что это так только в течение коротких и интенсивных всплесков активности, вызванных падением новой массы к дыре, а большую часть времени светимость ядер активных галактик намного меньше. Однако, в пике активности светимость ядра намного больше, чем у самых массивных скоплений горячих и молодых звезд, особенно в ультрафиолетовом и рентгеновском диапазоне, и ее вполне может хватить для полной ионизации всего газа в части Магелланова Потока, расположенной над полюсом.

Рис. 7. Спектр излучения ядер активных галактик. По вертикали — логарифм числа фотонов данной энергии для красной кривой, и спектральной интенсивности излучения для черной. Черная кривая получается домножением красной на энергию. Точки — наблюдаемое излучение ядра сейфертовской галактики NGC 1068, которая служит моделью для изучения активности ядра Млечного Пути. Подъем на малых энергиях соответствует излучению аккреционного диска как абсолютно черного тела, фотоны более высоких энергий — нетепловому излучению областей в непосредственной близости от черной дыры. Рисунок из обсуждаемой статьи

Чтобы рассчитать, когда произошла вспышка и насколько она была интенсивной, нужно построить математическую модель события, учитывающую все происходящие процессы. После начала вспышки требуется время, чтобы свет от центра галактики дошел до облака — 170–320 тысяч лет. Атомарный водород сильно непрозрачен для ультрафиолета с энергией в десятки эВ, то есть сначала излучение поглощается тонким слоем газа на внутреннем краю Магелланова Потока. Однако плазма прозрачна, поэтому как только этот слой оказывается полностью ионизирован, излучение начинает проникать глубже и ионизирует следующий слой, и так, пока фронт ионизации не дойдет до внешней стороны облака, или пока не закончится вспышка. Рекомбинация и свечение в линии Hα, как и в других эмиссионных линиях водорода, начинается сразу же, как только газ ионизирован, хотя на Земле это можно будет увидеть еще на 170–320 тысяч лет позже, так как требуется время для путешествия фотонов от облака к Земле — таким образом, суммарная задержка из-за конечной скорости света составит около полумиллиона лет. Рассчитанные зависимости яркости потока в линии Hα от времени (без учета времени путешествия света) представлены рисунке 8.

Рис. 8. Зависимости светимости поверхностной яркости Магелланова Потока в линии Hα от времени, при вспышке со светимостью 10% от предела Эддингтона, если истинное расстояние до Потока равно 55 кпк (слева) и 100 кпк (справа). Кривые соответствуют концентрациям 1, 0,3, 0,1, 0,03 и 0,01 атомов водорода на кубический сантиметр соответственно; горизонтальная пунктирная прямая — наблюдаемая сейчас яркость. По вертикали — логарифм поверхностной яркости (1 = 10 3 /4π фотонов с квадратного сантиметра в секунду в стерадиан), по горизонтали — логарифм времени с момента достижения Потока излучением вспышки, в годах (без учета времени распространения света от Потока до наблюдателя). Графики из обсуждаемой статьи

При одинаковой интенсивности вспышки, большие расстояния до Потока соответствуют меньшей наблюдаемой яркости, а большие концентрации газа — более быстрому угасанию флуоресценции. Как видно, большие погрешности в определении расстояния и плотности потока соответствуют большой погрешности в определении времени вспышки. Кроме того, одному и тому же времени вспышки могут соответствовать разные параметры: большое расстояние и малая плотность газа в Потоке, или наоборот, меньшее расстояние, но более высокая плотность. Нижняя граница количества прошедшего с момента вспышки времени определяется, помимо модели флуоресценции, и фактом, что мы уже видим эмиссию, а значит, свет от вспышки дошел до Потока, а свет эмиссии — от Потока до нас. В то же время верхняя граница определяется временем рекомбинации при самых малых плотности газа в Потоке и расстоянии до него, а наиболее вероятное время вспышки, соответствующее наиболее вероятным параметрам, — 1–5 миллионов лет назад.

Кроме того, интенсивность эмиссии повышается и с увеличением максимальной светимости в момент вспышки. Зависимости параметров модели от интенсивности вспышки приведены на рисунке 9. Из этих зависимостей следует, что интенсивность вспышки составляла как минимум несколько процентов от предела Эддингтона, что помещает Млечный Путь в момент вспышки в класс сейфертовских галактик! Чем меньше светимость, тем меньшая плотность газа требуется, чтобы остаточный уровень эмиссии через данное время после конца активности был таким, как сейчас, а не более низким и не упал до ненаблюдаемых значений. Ввиду времени распространения света вспышка не могла произойти позже, чем несколько сотен тысяч лет назад, и если предположить, что ее светимость была менее одного процента от максимальной, требуется нереалистично низкая плотность газа в Потоке, чтобы объяснить, как остаточная эмиссия в линии Hα сохранилась на нынешнем уровне в течение такого времени.

Рис. 9. Интенсивность вспышки, ее возраст и время спадания свечения, необходимые, чтобы обеспечить текущую интенсивность свечения Магелланова потока при различных объемных плотностях газа и расстоянии до потока 55 кпк (слева) и 100 кпк (справа). Серая область соответствует светимости, большей, чем предел Эддингтона. Графики из обсуждаемой статьи

Что же еще свидетельствует в пользу гипотезы об активности ядра Млечного Пути? Как известно, звезды могут образовываться непосредственно во внешних частях массивного аккреционного диска черной дыры за счет гравитационного коллапса флуктуаций плотности газа. Поскольку приливные силы и различие скоростей движения соседних объемов газа в диске разрушает небольшие флуктуации плотности, распределение звезд по массам при образовании в аккреционном диске сдвинуто в сторону очень массивных звезд. И в непосредственной близости от «нашей» черной дыры имеется плотная группа из 80 ярких и массивных звезд классов O и B, спектры которых свидетельствуют о возрасте 2,5–8 миллионов лет, а расстояния этих звезд от центра настолько малы, что они не могли образоваться по другому механизму. Таким образом, их наличие неявно указывает на возможность эпизода массивной аккреции несколько миллионов лет назад. Кроме того, одно массивное газопылевое облако, сейчас удаляющееся от центра Галактики, должно было пройти вблизи центральной черной дыры 1 миллион лет назад, что должно было вызвать его приливную деформацию и падение большого количества газа в черную дыру. Сейфертовская вспышка могла быть связана с одним из этих событий, или даже с обоими. На восемь порядков сниженная по сравнению со вспышкой активность ядра в настоящее время не противоречит этим выводам, поскольку давление электромагнитного излучения вспышки достаточно сильно, чтобы рассеять еще не упавшие в аккреционный диск фрагменты облака, а без притока материи активность галактического ядра быстро ослабевает.

Таким образом, сразу несколько свидетельств указывают на то, что наша Галактика далеко не всегда была спокойной, и переживала один или несколько эпизодов интенсивной активности только в течение последних 10 миллионов лет. Если предположить, что один из этих эпизодов является ответственным за флуоресценцию водорода в Магеллановом Потоке, то светимость ядра Галактики должна была быть очень мощной, что помещает Млечный Путь в момент вспышки в класс сейфертовских галактик. Эта светимость составляет около 10 миллиардов светимостей Солнца, что на восемь порядков выше современной величины. Если бы не пыль в плоскости Галактики, ее центр выглядел бы на ночном небе почти так же ярко, как молодая Луна. Но пыль так сильно ослабляет видимый свет, что, даже будь в центре Галактики квазар, он бы не был виден. Возможно, в ясные ночи удавалось бы разглядеть его отблески на газопылевых облаках, близких к центру, но отстоящих от плоскости галактики.

Описанные наблюдения и сделанные из них выводы показывают, что разделение галактик на активные и неактивные не является постоянным. Такой вывод можно было сделать, поскольку время изменений, с одной стороны, очень велико по сравнению с периодом наблюдений (и даже существованием самого человечества) и не позволяет непосредственно пронаблюдать изменение активности галактик, а с другой — достаточно мало, чтобы некогда активная галактика могла показаться совершенно спокойной несколько миллионов лет спустя. Однако следы этой активности сохраняются дольше, и методы современной астрономии позволяют заметить их и исследовать. Это — своеобразная галактическая археология, с помощью которой можно разглядеть настоящую картину — одна и та же галактика может быть неактивной, сейфертовской и даже квазаром в течение своей жизни.

Источник