Звездная ночь: смотрим вверх на Млечный Путь

На огромном пространстве наблюдаемой Вселенной, насчитывающей около 2 триллионов галактик, Млечный Путь ^[1] - наш дом, наше место на небе.

Мы видим наш Млечный Путь каждый раз, когда смотрим на небо в ясную ночь. Это скопление звезд, образующее полосу света, которую первые астрономы сравнивали с цветом молока.

Название «Млечный Путь» происходит из греко-римской мифологии. По одной из легенд, Гера отказывалась кормить грудью незаконнорождённых детей Зевса. Однажды, пока Гера спала, Гермес поднёс к её груди Геракла, и после того, как тот начал кормиться, Гера проснулась и оттолкнула его. Молоко, которое брызнуло при этом из груди, превратилось в Млечный Путь. Само слово «галактика» также связано с этим мифом и происходит от др.-греч. Κύκλος Γαλαξίας, что в переводе означает «молочный круг». - эту часть я добавил из вики, потому что там чуть более подробно написано было, чем в оригинальной статье - прим. пер.

Галактики - это скопления звезд, сгруппированных вместе, словно острова в космическом море. Некоторые галактики больше других, и они бывают разных форм. Наш Млечный Путь - галактика со спиралью, то есть если бы мы могли увидеть ее сверху (а мы не можем, потому что находимся в самом центре!), то увидели бы «рукава», закручивающиеся вокруг центральной точки в форме булавочного колеса.

Почему и как звезды в спиральных галактиках образуют эти рукава, закручивающиеся вокруг центра, до конца не ясно. Согласно существующей теории ^[2], рукава образуются в результате прохождения звезд через волны плотности во время их обращения вокруг центра галактики. По мере прохождения волны плотности заставляют звезды объединяться в скопления, которые и формируют спиралевидные рукава.

Млечный Путь имеет два основных рукава - Стрельца и Персея. Также есть два малых рукава и две меньших «Шпоры». Земля, ее Солнце и остальная часть нашей Солнечной системы находятся в шпоре Ориона ^[3] (так иногда называют рукав Ориона - прим. пер.).

Многие коренные австралийские культуры определяют образ эму ^[4] (это такая птица - прим. пер.) в Млечном Пути по темным пятнам на небе, а не по свету звезд. Эму в небе ассоциируется с различными историями о сновидениях и культурными практиками

Насколько велик Млечный Путь?

Общий диаметр Млечного Пути составляет около 122 000 световых лет (световой год - это расстояние, которое свет проходит за один год, равное 9,5 х 10¹² км), а его толщина - около 1000 световых лет. Для сравнения, диаметр самой большой из известных галактик, называемой IC 1101 ^[5], составляет около 4-6 миллионов световых лет. 

Таким образом, хотя Млечный Путь не является гигантом с точки зрения расстояния от одного края галактики до другого, однако по массе Млечный Путь не является самым маленьким среди других галактик группы - масса нашей галактики примерно в 600 миллиардов раз больше массы Солнца. 

И мы, конечно, достаточно велики по сравнению с некоторыми из наших ближайших соседей. Большое и Малое Магеллановы Облака, две близлежащие карликовые галактики, гораздо меньше. Большое Магелланово Облако ^[6] имеет в поперечнике всего 14 000 световых лет, а Малое Магелланово Облако ^[7] - всего 7000 световых лет. Их масса составляет менее одной десятой массы Млечного Пути. Тем не менее, масса Большого Магелланова Облака в 10 миллиардов раз больше массы Солнца, а Малое Магелланово Облако в 7 миллиардов раз массивнее Солнца. 

Что находится в Млечном Пути?

В Млечном Пути насчитывается ^[8] от 100 до 400 миллиардов звезд разного размера, яркости и возраста. 

Среди всех этих звезд также много газа и пыли. Межзвездный газ составляет около 5 процентов массы Млечного Пути. Почти 9 из каждых 10 атомов межзвездного газа - это водород (H), и на него приходится около 70 процентов массы межзвездного газа.

А водород очень важен! Он является основным сырьем для звездообразования, которое происходит, когда плотные облака межзвездного газа коалесцируют ^[9] и сливаются вместе, образуя новые звезды. Водород также относительно легко «увидеть» в космосе, и мы используем наблюдения за водородом, чтобы проследить распределение материи в нашем Млечном Пути и других галактиках за его пределами. 

Остальная часть межзвездного газа состоит из более тяжелых элементов, в основном гелия (He), и даже некоторых молекул углекислого газа (CO₂), аммиака (NH₃) и формальдегида (CH₂O). Межзвездная пыль состоит из более тяжелых и сложных молекул. Именно пыль ответственна за темные пятна, которые мы видим в массе звезд на ночном небе.

Млечный Путь не стоит на месте в космосе. Он не только вращается, вращаясь вокруг своей центральной точки, но и движется в пространстве по курсу, который в конечном итоге приведет его к столкновению с галактикой Андромеды. Эти две галактики движутся навстречу друг другу со скоростью около 112 километров в секунду. Однако не стоит слишком беспокоиться по этому поводу - к тому времени, когда они столкнутся через четыре миллиарда лет, наше Солнце превратится в красного гиганта, а мы все давно исчезнем

В центре Млечного Пути находится так называемая Галактическая дуга - область, плотно заполненная звездами, пылью и газом. Прямо в центре Галактической дуги находится огромная черная дыра под названием Стрелец А* ^[10]. Вокруг этой черной дыры вращаются звезды, газ и пыль со скоростью сотни километров в секунду. Черные дыры нельзя увидеть напрямую, поэтому их размер определяют, измеряя время, необходимое звездам для обращения вокруг них. Считается, что масса Стрельца А* примерно в 3 миллиона раз больше массы Солнца. В настоящее время Стрелец А* считается «спящей», поскольку за последние несколько миллионов лет она не поглотила большое количество звезд и другого материала, вращающегося вокруг нее.

Как мы изучаем Млечный Путь?

Мы застряли глубоко внутри Млечного Пути, поэтому невозможно взглянуть на галактику со стороны. Все, что мы можем сделать, - это выглянуть наружу и посмотреть на другие галактики, чтобы получить представление о том, как устроена наша собственная. Все имеющиеся у нас изображения Млечного Пути как галактики - это всего лишь впечатления художников, очень обоснованные предположения о том, как выглядит наша галактика. 

Эти обоснованные догадки возникают в результате наблюдений и последующего использования законов физики для понимания их смысла. Например, масса Млечного Пути, очевидно, не рассчитывается путем набрасывания галактики на чашу весов! Исследователи измеряют скорость вращения звезд во внешних областях галактики и используют законы гравитации, чтобы определить их массу. 

Точно так же, чтобы узнать, сколько звезд в Млечном Пути, нужно сделать несколько обоснованных предположений - мы не можем пойти и сосчитать все звезды одну за другой, поэтому мы оцениваем общее количество звезд, взяв массу галактики, а затем вычислив, сколько звезд необходимо для придания галактике этой массы. 

«Взгляд» через электромагнитный спектор

Как существует предел того, что мы можем увидеть невооруженным глазом, так и существует предел того, какую часть галактики Млечный Путь мы можем увидеть, используя длину волны видимого света в электромагнитном спектре. Видимый свет не может проникнуть сквозь плотное скопление звезд и газа, которое находится в галактическом скоплении, поэтому для исследования глубинной структуры галактики нам необходимо использовать измерения нескольких различных длин волн излучения в электромагнитном спектре. В мире существуют приборы для измерения излучения в гамма-, рентгеновском, инфракрасном и радиодиапазонах, которые способны проходить сквозь плотные пылевые облака.

Заглядывая между звезд

Космический телескоп Спитцер ^[11] - это космический телескоп, который был запущен в 2003 году. Он вращался вокруг Земли и наблюдал за Млечным Путем и галактиками за его пределами. Он наблюдал за излучением в инфракрасном диапазоне электромагнитного спектра, что позволял нам увидеть тепло, выделяемое новыми формирующимися звездами.

Космический телескоп Спитцер завершил свою миссию в 2020 году после более 16 лет исследований инфракрасного излучения Вселенной - прим. пер.

Но не только на звезды интересно смотреть! Изображения, полученные в ходе исследования GLIMPSE ^[12] и в рамках проекта «Млечный путь», позволили обнаружить газовые пузыри, которые окружают крупные звезды в галактике. Эти пузыри образуются под действием солнечного ветра - энергия, излучаемая массивными звездами, «выдувает» дыры в межзвездном газе.

Еще один спутниковый телескоп NASA - рентгеновская обсерватория «Чандра» ^[13]. Он измеряет излучение в рентгеновском диапазоне в нашей галактике с момента своего запуска в 1999 году. Он находится на высокой околоземной орбите - более трети пути до Луны - и позволил астрономам изучить черную дыру нашей галактики, Стрелец А*, наблюдая за рентгеновским излучением, проходящим внутри и вокруг нее.

Способность «Чандры» «видеть» объекты в космосе эквивалентна тому, как если бы мы могли прочитать знак «Стоп» на расстоянии 19 километров

В 2010 году космический гамма-телескоп Ферми ^[14] обнаружил огромные шлейфы сверхгорячих частиц газа, излучающих гамма-лучи, исходящие из центра Млечного Пути. Предполагается, что эти шлейфы могут быть результатом своеобразной «отрыжки» Стрельца А* после потребления звезд или другого материала, или, возможно, газа, образованного несколькими недолговечными звездами, расположенными близко к центру галактики, которые распались на высокоэнергетические сверхновые.

Самая подробная карта Млечного Пути была составлена ^[15] в 2016 году, когда исследователи из Австралии и Германии опубликовали результаты обзора HI4PI. Это было крупномасштабное совместное исследование, изучавшее количество атомарного водорода, присутствующего в межзвездном пространстве Млечного Пути.

В течение 10 лет, проводя тысячи часов наблюдений, исследователи использовали радиотелескоп CSIRO Parkes ^[16] в Австралии и радиотелескоп Института Макса Планка Эффельсберг ^[17] в Германии, отслеживая радиоволны из более чем миллиарда отдельных точек данных по всему небу. Это исследование с высоким разрешением позволило создать самую подробную на сегодняшний день карту нашего местного неба - она более чем в четыре раза подробнее, чем предыдущая, о важности которой говорит тот факт, что она использовалась более чем в 1700 научных исследованиях. В ходе исследования HI4PI уже были обнаружены ранее невидимые тонкие структуры - облака, которые, по-видимому, послужили основой для формирования новых звезд.

И многое другое еще впереди. Square Kilometre Array ^[18], гигантский многоантенный радиотелескоп, охватывающий всю страну и строящийся в настоящее время в нескольких местах в Австралии и Южной Африке, обещает дать новые сведения о Млечном Пути. С его помощью астрономы смогут изучить плотность, движение и источники межзвездного газа, который питает процесс образования новых звезд в нашей галактике.

С каждой орбитой космических телескопов и с каждым наблюдением, сделанным с помощью многочисленных телескопов на Земле, наши знания о галактической окрестности постоянно расширяются. И все же мы, безусловно, лишь частично изучили все тайны галактики молочного цвета с закрученной спиралью, которую мы называем своим домом.

Оригинальная статья была опубликована ^[19] на сайте Австралийской академии наук 29 марта в 2017 году.