Галактические скопления

Сделанное телескопом «Чандра» изображение скопления Персея, одного из самых массивных объектов Вселенной. Его релятивистские джеты излучают радиоволны.

Звёзды, существующие в рамках галактик, часто собираются в скопления – группы звёзд, связанных друг с другом гравитационно. Связанную гравитацией систему из звёзд, звёздных скоплений, межзвёздного газа и пыли, тёмной материи и планет мы называем галактикой.

При этом на ещё большем масштабе галактики тоже собираются в скопления – группы галактик, связанных между собою гравитацией. Если масса галактик находится в пределах 10⁶ — 10¹³ солнечных масс, то галактическое скопление может иметь массу в 10¹⁴ — 10¹⁵ солнечных, и содержит от 100 до 1000 галактик. Для разделения скоплений галактик на классы в зависимости от их морфологии была разработана классификация Баутц — Моргана.

Ключевой особенностью галактических скоплений является межкластерная среда, состоящая из перегретой плазмы. Это газ, содержащий в основном ионизированный водород и гелий, разогретый до температур от 10 до 100 МК, излучающий в рентгеновском диапазоне. Большая часть барионной материи галактических скоплений сосредоточена именно в межкластерной плазме. Точно неизвестно, что именно разогревает эту среду – скорее всего, сочетание релятивистских джетов, испускаемых центрами галактик, составляющих скопление, и взаимодействие атомов среды друг с другом во время слияний галактических подкластеров. Сами галактики отвечают примерно за 1% массы скопления, межкластерная среда – за 9%. Остальную массу составляет тёмная материя.

Наша местная группа галактик, членом которой является Млечный Путь, входит вместе с другими галактиками, их группами и скоплениями в сверхскопление Девы. Также из интересных объектов данного типа можно упомянуть «Великий аттрактор» — точку притяжения множества скоплений и сверскоплений галактик, среди которых есть и наше сверхскопление Девы. Центр Великого аттрактора — скопление Норма (ACO 3627, или Наугольник) в созвездии Наугольника — лежит на пересечении двух крупнейших структур, а именно стены Центавра, включающей сверхскопление Девы, скопление Центавра и собственно скопление Норма, и другой, простирающейся от скопления Павлина до сверхскопления Парусов. Судя по всему, это огромное сверхскопление галактик с массой, в 10⁵ раз превышающей массу Млечного Пути.



Галактики и их скопления тоже, в свою очередь, формируют ещё более крупные структуры — галактические нити. И это уже самые масштабные из известных во Вселенной структур. Их ещё называют галактическими стенами, поскольку их структура часто напоминает мыльную пену – стенки огромных пузырей, внутри которых преимущественно содержится пустота (или войд в терминах астрономии). Такие «стены» имеют протяжённость от 160 до 260 миллионов световых лет.

Галактическое гало

Основу галактик составляют звёзды, и их же легче всего увидеть при рассмотрении галактики. Однако галактика простирается гораздо дальше благодаря такому компоненту, как гало. Оно имеет примерно сферическую форму и состоит из звёздного гало, галактической короны и гало тёмной материи.

Проще всего увидеть звёзды ближе к центру галактики и в окружающих его регионах. Однако обычно на задворках галактики тоже находятся звёзды – и чаще всего это самые старые из звёзд галактики, а также звёзды, захваченные во время слияний основной галактики с её галактическими спутниками. Эти звёзды составляют звёздное гало.

Галактическая корона – это окружающий галактику горячий ионизированный газ, или плазма. Считается, что её формируют «галактические фонтаны» — джеты, испускаемые взрывами сверхновых и их останками.

Тёмная материя пронизывает каждую галактику и распространяется далеко за пределы её видимой части. По определению такое гало тёмной материи невозможно наблюдать напрямую, но о его существовании можно судить по косвенным признакам – по гравитационному влиянию на движение звёзд, газа и по наличию гравитационного линзирования. Гало тёмной материи играют ключевую роль в формировании галактик – на первых этапах этого процесса температура барионной материи, по расчётам, должна быть слишком высокой для того, чтобы из неё формировались гравитационно связанные объекты. Следовательно, для формирования галактик необходимо, чтобы сначала появлялись структуры, состоящие из тёмной материи, и обеспечивающие дополнительное гравитационное воздействие.

Галилеевы спутники

Галилео Галилей – один из величайших учёных. Он родился в Италии в XVI веке, занимался физикой, механикой, астрономией, философией, математикой, и в итоге оказал значительное влияние на науку своего времени. Одним из первых Галилей начал использовать телескоп для наблюдения за небесными телами.

На стыке 1609 и 1610 годов Галилей усовершенствовал свой телескоп, получив 20-кратное увеличение, и увидел четыре небесных тела, расположенных на небосводе близ Юпитера. Сначала он принял их за звёзды, но весной 1610 года пришёл к выводу, что это спутники Юпитера. Это были первые спутники планеты Солнечной системы, после Луны, открытые человеком.

Однако имена им дал другой астроном, немец Симон Марий, открывший эти спутники одновременно с Галилеем и независимо от него. Данные им названия спутников сохранились до настоящего времени: Ио, Европа, Ганимед, Каллисто. Имена они получили в честь любовниц Зевса – греческого аналога римского бога Юпитера. Марию также принадлежит первое упоминание о туманности в созвездии Андромеды (спиральная галактика M31).

Эти четыре спутника – самые массивные из спутников гигантской планеты. Всего на сегодня известно уже 80 спутников Юпитера.

Ио – четвёртый по размеру спутник в Солнечной системе, немногим больший Луны, и при этом самый геологически активный объект во всей Солнечной системе. На нём находится порядка 400 действующих вулканов и более 100 гор, многие из которых выше Эвереста.

Европа – спутник чуть поменьше Луны. Считается, что её поверхность состоит из толстой корки льда, под которой скрывается водный океан глубиной в 100 км. Хотя тому пока не найдено никаких свидетельств, приливное воздействие на спутник обеспечивает его нагрев, сохраняя воду жидкой и делая возможным наличие жизни подо льдом.

Ганимед – крупнейший спутник в Солнечной системе, и превосходит по размеру Меркурий (хотя масса у него вполовину меньше, поскольку Ганимед – ледяной мир). Также это единственный в Солнечной системе спутник, обладающий магнитосферой. Считается, что между слоями льда на глубине около 200 км под поверхностью Ганимеда существует океан из солёной воды.

Каллисто – третий по размеру спутник в Солнечной системе, чуть меньше Меркурия и имеющий треть его массы. По количеству кратеров на поверхности этот спутник считается рекордсменом Солнечной системы. Крупнейший кратер на его поверхности диаметром в 350 км носит название «Вальхалла». Он расположен в низине диаметром 3000 км. Вероятно, на глубине порядка 300 км под его поверхностью может существовать водяной океан.

Гелиосфера

Солнце, как и любая звезда, испускает в окружающее пространство мощный поток быстрых частиц, называемый звёздным ветром. Они начинают свой путь с верхних слоёв атмосферы звезды и расходятся от неё во все стороны в виде пузыря. На некотором расстоянии от светила частицы замедляются до дозвуковой скорости. Скорость звука в межпланетной или межзвёздной среде зависит от плотности вещества – в Солнечной системе это порядка 100 км/с. Тогда кинетическая энергия звёздного ветра превращается в тепловую, порождая испускающую рентгеновское излучение плазму температурой в 10⁶ К. Эта внутренняя оболочка пузыря называется терминальной ударной волной. В Солнечной системе эта оболочка имеет от 75 до 90 а.е. в поперечнике.

Далее этот звёздный ветер продолжает расширяться, взаимодействуя с межзвёздной средой до тех пор, пока из-за этого взаимодействия его скорость не упадёт до нуля. Эта внешняя оболочка пузыря называется астропаузой (в частном случае с Солнцем – гелиопаузой).

Кроме пузыря звёздного ветра вокруг звезды есть область, в пределах которой её магнитное поле влияет на движение заряженных частиц. Эта область называется магнитосферой звезды. Согласно современным теориям, магнитное поле звезда или планета порождают благодаря эффекту динамо – обладающее свойствами жидкости вращающееся токопроводящее вещество с происходящей внутри его конвекцией способно поддерживать магнитное поле достаточно долгое с астрономической точки зрения время. Считается, что именно благодаря этому эффекту магнитные поля (и свои соответствующие магнитосферы) есть у Солнца, Земли, Меркурия и спутников Юпитера.

Вблизи звезды магнитные линии поля напоминают таковые у магнитного диполя. Чем дальше от звезды, тем сильнее эти линии начинают искажаться из-за взаимодействия с её собственным звёздным ветром.

Верхние слои атмосферы звезды, пузырь её звёздного ветра и магнитосфера в совокупности называются астросферой (в случае Солнца – гелиосферой). Обычно эта структура имеет несколько световых лет в поперечнике.

Термин «гелиосфера» придумал космолог Александр Десслер в 1967 году. Пузырь гелиосферы, постоянно подпитываемый солнечным ветром, защищает всю Солнечную систему от межзвёздного ионизирующего излучения. Поскольку Солнечная система движется вокруг центра Млечного Пути и взаимодействует с межзвёздной средой, её гелиосфера имеет вытянутую форму, напоминающую комету – с одной стороны она примерно сферическая, а с другой имеет длинный «гелиохвост». В 2012 году «Вояджер-1», а в 2018 году «Вояджер-2» вышли за границы гелиопаузы и в данный момент находятся в межзвёздном пространстве.