ПопулярноеРедакцияСвежее
ЛучшееОбсуждаемое

Як ми визначили справжню форму Чумацького Шляху

2

Щоб краще зрозуміти природу нашої галактики, астрономи досліджують весь спектр її навколишніх сусідок.

Світлою смугою простягається Чумацький шлях над долиною Панамінт, що знаходиться у національному парку Долина Смерті. Його видима частина починається від сузір’я Кассіопея і тягнеться до сузір’я Скорпіона.
Джерело: John Fisanotti

Коли ми роздивляємось нічне небо, в очі відразу кидається мерхла смуга світла, що розкинулась через весь космічний простір.

Ми не перші, хто хоче дізнатись природу Чумацького Шляху. Стародавні греки вважали, що це молоко, яке розлилося з грудей богині Гери. Єгиптяни мали схожі вірування з поправкою на те, що це було молоко не богині, а корови. Австралійські аборигени були впевнені, що вночі ми бачимо небесну річку, що тече зоряним небом.

Зараз, вивчивши площину нашої галактики, вчені стверджують, що вона складається, щонайменше, зі 100 мільярдів зірок. Проте визначити форму Галактики (Галактикою саме з великої літери позначається Чумацький Шлях — ред.) до початку 20 століття було неможливою задачею. Головна проблема полягає у тому, що наша зоряна система знаходиться всередині Чумацького Шляху і ми не можемо поглянути на неї з висоти пташиного польоту. Проте з винайденням телескопу, фотографії, спектрального аналізу та радіоастрономії вчені змогли визначити форму та розміри Галактики і врешті-решт окреслили той острівець Всесвіту, що ми можемо назвати нашим галактичним домом.

Революція телескопів

До винайдення телескопів, справжня величина галактики залишалася загадкою. Близько двох з половиною тисяч років тому грецький філософ Демокріт вважав, що Чумацький шлях повний зірок, які розкидано на значній відсталі. І лише з далеку здається, що вони сильно скупчились. Проте вже 100 років по тому Арістотель заявляв, що тьмяна смуга світла — це лише атмосферне явище. Думки Арістотеля панували наступні 2000 років, аж поки два шматочки скла їх не розвіяли.

Коли Галілео Галілей у 1609-му році направив свій телескоп на зоряне небо, він зробив безліч неймовірних відкриттів, та опублікував свої спостереження у невеликій книжці під назвою Sidereus Nuncius (з лат. Зоряне повідомлення). Він виявив, що Місяць насправді нерівний та посічений кратерами, а Юпітер має 4 супутники. Галілео не оминув своєю увагою і Чумацький шлях. Про нього він писав так: «Ця підзорна труба дозволила мені побачити незчисленну кількість зірок, що їх ніхто не бачив раніше. Певно їх, щонайменше у десять разів більше ніж тих, що можна спостерігати на небосхилі.

Оглядаючи об’єкти в сузір’ї Рака, він виявив туманність Оріона (M42) та зоряне скупчення Ясла (M44). Там він помітив скупчення зірок, які не можна відокремити від їхньої загальної маси. Галілей був переконаний, що всі тьмяні об’єкти на зоряному небі перетворюються на зорі, проте він не міг навіть і уявити, що через століття наші вчені дослідять кожну зірку, щоб зрозуміти будову галактики.

Художнє бачення Чумацького шляху, що засноване на даних зібраних космічним телескопом Spitzer від NASA. Зображення галактики Чумацький шлях у інфрачервоному діапазоні показує, що два з її чотирьох рукав (Рукав Персея та рукав Скутум-Кентавр) мають домінантне положення в загальній структурі. Рукав Норми та рукав Стрільця знаходяться між ними. У серпні 2021 астрономи Нанкінського університету (Китай) повідомляли про виявлення нової структури, яку вони назвали Cattail (очерет). Вчені вважають, що це може бути ще один рукав або дуже довга смуга водню.
Джерело: Roen Kelly, after NASA/JPL-Caltech

Спіральні туманності

Після відкриття Урану у 1781, Вільям Гершель швидко став знаменитим та отримав титул придворного астронома короля Георга ІІІ. Він надав йому кошти на побудову телескопа завдовжки 12 метрів з 1,2 метровим дзеркалом.

З його допомогою Гершель створив першу систематичну карту Чумацького шляху. Він почав свої спостереження з щільної області нашої галактики, де нарахував безліч зірок. Коли він зміщувався вбік від цієї області, кількість зірок раптово падала.

Гершель дійшов висновку, що кількість зірок в кожній області — прямий показник кількості зоряних систем у цьому напрямку. Не знаючи про взаємозв’язок між яскравістю зірки та відстанню до неї, як і того факту, що безліч мерхлих зірок просто не можна було розгледіти тогочасними пристроями, він склав схему Чумацького шляху, що в його уявлені виглядав наче велика амеба.

У 1840-х Вільям Парсонс створив значно потужніший телескоп Левіафан в Ірландії. Парсонс і за сумісництвом граф Россе побудував велетня з розміром головного дзеркала у 1,9 метра, що дозволило йому робити надзвичайно детальні нариси об’єктів зоряного неба. Він спостерігав за галактикою Вир (M51), Трикутник (M33) та M99 (NGC 4254). В них йому вдалося виявити певні спіральні структури. Без можливості точно виміряти відстань до далеких об’єктів, вченим залишалося тільки гадати, чи ці туманності, як зорі та зоряні скупчення, знаходяться в структурі Чумацького шляху або поза його межами. Проте навіть якби ці структури не входили до Чумацького Шляху, хіба це щось значить для нашого місця у Всесвіті?

Вільям Гершель створив карту Чумацького Шляху з вимірюваннями, що він назвав «зоряним еталоном», які він проводив направляючи телескоп на певну область зоряного неба та рахуючи кількість зірок, що зможе побачити. Результатом його роботи став поперечний переріз Чумацького шляху з погляду спостерігача на Землі.
Джерело: Кароліна Гершель

Космічна лінійка

Дебати, щодо фізичної природи Чумацького шляху продовжились на початку 20 століття. Нові методи дослідження, зокрема спектральний аналіз та фотографія змінили вектор дискусії. Можливість проаналізувати світло дозволила дізнатися більше про хімічні реакції всередині зірок, а фотографія значно розширила поріг світимості, якій був обмежений фізіологічною будовою людського ока.

Використовуючи ці нововведення, астрономи Генрієтта Лівітт, Едвард Пікерінг та Ейнар Герцшпрунг відкрили та довели взаємозв’язок між періодом затемнення та збільшенням яскравості у зірок класу пульсуючих Цефеїд. У 1908 Лівітт займалася вивченням різних зірок на фотографіях Великої та Малої магелланових хмар, що надіслали до Обсерваторії гарвардського коледжу з обсерваторії в Перу. Вона помітила ритмічні коливання яскравості цих зірок в обох карликових галактиках. Вони могли траплятися з періодичністю в один день або цілий місяць.

Крім того, вона визначила, що чим довший період зміни яскравості, тим яскравішою була зірка.  Оскільки всі зірки в Малій магеллановій хмарі знаходяться приблизно на одній відстані, то вчена була впевнена, що виявлені коливання — наслідок справжньої, перманентної яскравості цих зірок.

Пікерінг, головуючий спостережень, припустив, що залежність періоду яскравості може стати до нагоди під час визначення розподілу зоряних скупчень та туманностей. Нарешті Герцшпрунг завершив цей метод проводячи роздільні вимірювання відстані до цефреїд за методом паралаксу (аналізуючи ступінь їх зміщення відносно інших зірок у різні періоди спостереження).

Це дозволило астрономам дізнатися справжню яскравість цефреїд. Наступний етап — порівняння фактичної та справжньої яскравості, що і дозволяє виміряти відстань до зірки. Так астрономи нарешті створили надійну космічну лінійку.

Приблизно в той самий час свою діяльність проводив Гарлоу Шеплі, американський астроном, який вимірював розповсюдження кульових кластерів — компактних та щільних скупчень зірок. У 1918 він виявив, що подібні кластери, що зосереджені в області сузір’я Стрільця, формують гало навколо Чумацького шляху. Також він покращив вимірювання паралаксів до цефреїд, що своєю чергою, зробило відношення Лівітт значно точнішим.

Використовуючи ці данні Шеплі не тільки визначив розташування центру Чумацького шляху (в сузір’ї Стрільця), а й довів, що наша галактика у 10 разів більша, ніж вважалось до цього. Його спостереження також перенесли нашу сонячну систему далеко від галактичного центру. Враховуючи розмір нашої галактики, Шеплі був переконаний, що спіральні туманності, зокрема кульові кластери, — частина Чумацького шляху.

Пульсуючі цефреїди залишаються важливою складовою нашого розуміння форми Чумацького шляху. Кожна світла крапка — цефреїда, до якої виміряна відстань з допомогою Експеременту з оптичним гравітаційним лінзуванням (OGLE), який проводився в обсерваторії Лас-Кампанас, Чилі.
Джерело: K. Ulaczyk/J. Skowron/OGLE

Великі дебати

На початку 20 століття диспут щодо спіральних туманностей та природи Чумацького шляху досягли свого переломного моменту. Фотографії чітко фіксували, що ці туманності мають добре окреслені спіральні структури, що складаються з безлічі зірок, проте на той момент не можна було точно визначити відстань до них, і відтак дізнатися, чи знаходяться вони всередині Чумацького шляху.

У квітні 1920 Гарлоу Шеплі зустрівся з Гебером Кертісом в Національному музеї природознавства (США, округ Колумбія). Вони вступили у дискусію, що запам’ятається світу під назвою Великі дебати (Great Debate). Шеплі наполягав, що інші туманності були частиною Чумацького шляху, як і кульові кластери. Проте Кертіс надавав переконливі докази того, що вони — окремі зоряні системи, «острівці Всесвіту», як він називав їх терміном введеним німецьким філософом Іммануїлом Кантом.

Пульсуючі цефреїди остаточно вирішили дебати. За декілька років, з допомогою 2,5 метрового телескопа Хокера в обсерваторії Маунт-Вілсон, Каліфорнія, Едвін Габбл знайшов пульсуючі цефреїди в спіральній галактиці Андромеда. Він використав добутки Шеплі у залежності періоду-світимості Лівітт та встановив, що об’єкт за яким спостерігав телескоп знаходиться на відстані 900 000 світлових років, що значно далі від околиць Чумацького шляху. (З того часу відстань була уточнена до значення 2,5 мільйона світлових років.) Одним спостереженням він довів, що Чумацький шлях, не цілий Всесвіт, а лише частинка його бурхливого океану, де зустрічаються острівці-галактики.
У 2019 команда OGLE випустила тривимірну карту Чумацького шляху, де простежено понад 2 400 цефреїд. Ця карта показує наскільки викривлена зовнішня частина галактичного диска. Раніше це викривлення вже було відоме вченим, проте вперше його нанесли на карту з точно визначеними відстанями між зірками.
Джерело: Jan Skowron/OGLE/Astronomical Observatory, University of Warsaw

Розквіт радіоастрономії

У 19 столітті астрономи не могли зрозуміти, чому величезні простори вздовж Чумацького шляху позбавлені зірок. Вони виглядали наче чорні «діри» в зоряному небі і за це отримали назву «вугільних мішків» (coal sacks).

У той час вивчення Чумацького шляху було обмежене видимим світлом і тогочасні астрономи і уявити собі не могли, що ці вугільні мішки були великими хмарами газу та пилу, що блокували проходження світла від далеких зірок. Необхідно було створити нові технології, щоб дослідити та зрозуміти будову цих холодних, темних мас, що рухаються площиною Чумацького шляху.

Народження радіоастрономії подарувало вченим новий інструмент дослідження галактики, що заповнена не тільки пилом, а й величезними об’ємами холодного, нейтрального газу водню. Більшу частину часу протон та електрон в атомі обертаються в одному напрямку. Проте іноді електрон раптово починає рухатися в протилежному напрямку. Для кожного існуючого атому водню цей процес вырогідний щонайменше один раз на 100 мільйонів років. Коли це стається, він випромінює енергію на відстань до 21 сантиметра. Ці хвилі значно потужніші, тому легко долають перепони у вигляді хмар пилу, що зупиняють видиме світло зі значно меншою довжиною хвилі.

Коли астрономи вперше виявили 21-сантиметрову хвилю у 1951 році, вони почали використовувати її, щоб дивитись крізь хмари та створювати повнішу картину нашої галактики. Вивчаючи розподіл нейтрального водню, астрономи можуть закартографувати невидимі регіони галактики та простежити спіральні рукави, де концентрується водень.

Форма нашої галактики

За останні 70 років сформувалась картина того, як виглядає наша галактика. Це масивна структура з чотирьох спіральних рукавів. Сонце знаходиться на відстані 27 000 світлових років від галактичного центра в рукаві Оріона, що простягається між більшими рукавами Персея та Стрільця. В останні роки астрономи виявили, що центральний балдж нашої галактики має форму перемички. Також дослідники виявили, що цей диск з газу і зірок деформований та трохи викривлений, можливо, під впливом гравітаційної взаємодії з найближчими карликовими галактиками.

Проте й досі у космосі залишається безліч нерозгаданих таємниць. Наприклад, закон всесвітнього тяжіння Ньютона стверджує, що зорі та газ на краях галактики має обертатися повільніше ніж об’єкти, які знаходяться ближче до галактичного центра. Втім спостереження показують, що зовнішні об’єкти, навпаки, обертаються швидше за внутрішні. Це характерно не тільки для нашої, а й для інших галактик. Єдине пояснення цьому феномену, без внесення змін до закону всесвітнього тяжіння, — існування невидимої речовини великої маси, можливо, у формі темної матерії. Проте вченим досі не вдалося спостерігати таку матерію напряму.

Попри все, стояти під куполом сяйнистих зірок та розуміти їх справжню природу — неперевершений подвиг людської винахідливості. Зуміти осягнути неосяжність нашої галактики та свого місця в ній — результат неймовірних зусиль людської уяви. Демокріт був впевнений в існуванні величезної кількості зірок, які він не був здатний побачити. Нарешті робота величезної кількості астрономів після нього, дозволила знайти наше місце у Галактиці, яку ми кличемо своїм домом.

Посилання на оригінальний текст

Если вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter.

20
Войдите, чтобы видеть ещё 1 комментарий, участвовать в обсуждении и не видеть рекламу.
Занимательный Томаш Пескек
Вечность назад

Дякую за переклад!

Показать скрытые комментарии

Загружаем комментарии...

Сообщить об опечатке

Текст, который будет отправлен нашим редакторам:

Отправить Отмена
[X]
Зарегистрируйтесь на сайте, чтобы не видеть рекламу, создавать и отслеживать темы, сохранять статьи в личные закладки и участвовать в обсуждениях
Если не получается зайти отсюда, попробуйте по ссылке.