Скорость вращения галактики

Движение Солнечной системы в галактике

Каждое небесное тело пребывает в непрерывном перемещении согласно законам небесной механики. Движение Солнечной системы в галактике происходит относительно ее центра, или ядра, по эллиптической или почти круглой орбите. Помимо этого, звезда гармонично производит волнообразные колебания относительно плоскости галактического диска.

Расположение в Млечном Пути

Солнце и вращающиеся вокруг него планеты – это одна из составляющих Млечного Пути. Оно расположено на внутреннем крае ответвления диска – галактического рукава Ориона. Удаленность от ядра составляет 8500 парсек, то есть 27723,3 световых лет. Оно занимает положение, примерно равноудаленное от рукавов Персея и Стрельца. Но это положение не постоянно. Связанный гравитацией с соседними галактиками (Треугольника и Андромеды), Млечный Путь устремлен к Сверхскоплению Паруса (Парусов). Эти гравитационно-связанные объекты составляют местную группу, в свою очередь являющуюся частью крупномасштабной структуры Местный Лист. Местный лист входит в Сверхскопление Девы (Суперкластер Девы), и Солнце расположено примерно на его окраине. Звезда пребывает в состоянии непрекращающегося перемещения в отношении галактического ядра, ближних, видимых небесных тел, межзвездных пыли и газа.

Примерное движение Солнечной системы в галактике

Перемещение в рамках галактики

Движение Солнечной системы в галактике было открыто англо-немецким астрономом Уильямом Гершелем. Он определил, что ход Солнца направлен к звезде Маасим, или Лямбде в Геркулесе (со скоростью, равной 20 км/с). Современные расчеты всего на десять градусов отличаются от расчетов Уильяма Гершеля. Это пекулярное, или общее движение. Также происходит движение солнечной системы в галактике, которое астрономы наименовали переносным. Солнце, вместе с ближайшими звездами, которые обращаются вокруг галактического центра, устремлено к созвездию Лебедя (со скоростью, равной 200 – 250 км/с)

Звезды, пыль и газ вращаются с разной стремительностью. Это зависит от их местоположения и удаленности от центра. Типичным для спиральных скоплений является то, что и светила, расположенные ближе к ядру, и более удаленные объекты вращаются с примерно одинаковой орбитальной скоростью. Но в Млечном Пути объекты, чьи орбиты приближены к центру вращаются медленнее, чем те, что удалены. Солнце вращается по орбите, имеющей форму почти правильной окружности. Скорость составляет 828000 километров в час по данным, опубликованным в 2009 году. Полный виток вокруг центра диска совершается примерно за 230 миллионов лет, что является галактическим годом.

Окрестности Млечного пути и его гало.

Вдобавок к орбитальному вращению, происходят также колебания в вертикальном направлении в плоскости Млечного Пути. Пересечение этой плоскости совершается один раз в 30 миллионов лет. Это означает, что Солнце меняет местоположение из северной в южную часть Млечного Пути и наоборот. Определено также, что в данный момент Солнце располагается в северной полусфере (20-25 парсек от плоскости диска). В настоящий момент совершается прохождение Местного межзвездного облака (ММО). Система вошла в него примерно 50 — 150 тысяч лет тому назад, и по подсчетам ученых выйдет из его пределов через 20 тысяч лет.

Перемещение в космическом пространстве

Солнечная система пребывает в непрекращающемся вращении и перемещении относительно небесных тел, межзвездного газа, других объектов. От некоторых объектов она удаляется, к некоторым – приближается. Установлено, что происходит сближение с Андромедой (скорость – 120-150 км/с), а в масштабе Местного Листа установлено приближение к Сверхскоплению Девы (скорость – 300-400 км/с).

Галилео Галилей наблюдал Солнце в телескоп с 4-х кратным увеличением. По перемещению пятен он догадался, что светило вращается вокруг собственной оси. Однако исчерпывающих научных данных о движении звезды он предоставить не смог. Ученые в ХХ веке восполнили пробел всеобъемлюще.

Вращение вокруг собственной оси

Условная ось проходит через Северный и Южный солнечные полюса. Вокруг нее и вращается светило. Орбита представляет собою окружность со сравнительно небольшим радиусом, которую Солнце проходит за 22 года. Направление поворотов такое же, как и у Земли.

Скорость вращения определили путем наблюдения за перемещением пятен. В процессе изучения было разработано несколько методик, определения скорости движения различных областей поверхности.

Вращение вокруг Центра Галактики

Центр Млечного Пути находится от нашего светила на расстоянии 26 тыс. световых лет. Луч света должен лететь названное количество земных лет, чтобы достичь центра – области, где формируются новые звезды и обладающей чудовищной силой притяжения. Наша звезда в действительности движется по прямой, но галактический центр силой тяготения искривляет орбиту светила, и оно движется по кругу. Это одно из объяснений.

По другой версии, космическое тело заставляет вращаться гигантская черная дыра, расположенная в центре галактики.

По третьей версии, Солнце движется по закону сохранения импульса энергии, данного ему в момент Большого Взрыва.

Полный галактический оборот Солнца делает за 220 млн. лет (неточно), и за время своего существования успело обернуться по этой траектории около 30 раз.

Гипотетически, по подсчетам ученых, Большой Взрыв произошел 61 галактический год назад, Млечному Пути 54 галактических года, самому Солнцу более 18 галактических лет. Человек появился 1/1000 галактического года тому, то есть всего 225 тыс. лет назад.

Интересно в связи с этим вспомнить о таком ведическом понятии, как «вдох и выдох Брамы». Древние индусы считали, что на «вдохе» верховного божества мир эволюционирует, поднимаясь по спирали вверх. На «выдохе» регрессирует, возвращаясь в исходную точку своего зарождения, где его ждет смерть. Не исключено, что Веды знали о видах обращении Солнца.

Третий вид вращения — дифференциальный

Солнце движется по такому же принципу, как и Земля. Но у светила наблюдается третий тип вращения. Полярные и экваториальные области газообразного тела обходят ядро неравномерно. Выяснилось, что на экваторе массы плазмы перемещаются быстрее, чем в районе полюсов – 38 и 24 суток соответственно.

Почему так происходит – одна из загадок светила, актуальный вопрос изучения.

Четвертый вид движения

Версия о расширении Вселенной уже не считается экзотической. Наше Солнце при каждом витке вокруг галактического центра отдаляется от него на несколько миллионов километров. В отдаленной перспективе, когда все звезды «разбегутся», наша Земля будет миром, где отсутствует звездное небо.

Скорость движения Земли в космосе

Чтобы понимать связь движения нашей планеты с природными процессами, нужно знать, с какой скоростью летит Земля в космосе. Знание этой величины также позволяет спрогнозировать будущее этого небесного тела.

Орбита Земли

Наша планета движется вокруг Солнца по эллиптической траектории, то приближаясь к светилу на 147 млн км (этот период приходится на январь каждого года), то отдаляясь. Максимально близкая к светилу точка называется перигелием. Через полгода Земля входит в афелий. В это время расстояние от нее до нашей звезды становится равным 152 млн км. За среднее расстояние принято число 150 млн км — это большая земная полуось.

Направление движения Земли по орбите — на восток. Если сравнивать с циферблатом, это соответствует значению «против часовой стрелки».

Земля вращается вокруг своей оси двигаясь на восток. Credit: NASA Solar System Exploration.

Полный оборот планеты вокруг условной оси, проходящей через центр Солнечной системы, длится чуть более, чем 365 суток 5 часов 48 минут. Этот период получил название астрономического года, он не совпадает с календарным, в котором для удобства содержится целое число дней.

Орбитальный путь составляет 942 млн км. Расчетным путем была найдена околосолнечная скорость движения нашей планеты — 29,8 км/с. Это среднее значение, т. к. в точках афелия и перигелия Земля немного замедляется, а потом снова ускоряется.

С какой скоростью Земля летит сквозь Вселенную

Все планеты нашей системы вращаются вокруг Солнца, но и само светило при этом не стоит на месте. Любой гигантский космический объект обладает большой массой и рождает сильное гравитационное поле, начинающее притягивать к себе соседей. Этим объясняется движение планеты в направлении границ ближайших созвездий Лиры и Геркулеса со скоростью 20 км/с.

Полет Земли через Вселенную. Credit: NASA Solar System Exploration. Одновременно с этим Солнечная система и соседние с ней объекты притягиваются более крупными звездам. Все вместе они движутся, направляясь к Змееносцу, пересекающему эклиптику большому экваториальному созвездию, в котором вспыхнули последние из наблюдавшихся в нашей Галактике сверхновые звезды. В первом случае скорость перемещения составляет 15 км/с, во втором — 23-25 км/с.

Как часть Млечного Пути, Солнечная система вместе с остальными звездными и планетарными объектами нашей галактики, газовыми облаками, астероидами, кометами, черными дырами, частицами пыли и темной материей движется относительно общего центра масс. Эта условная точка галактики находится на расстоянии около 25 тыс. световых лет от нас. Солнце двигается вокруг нее по эллиптической орбите, 1 полный оборот (галактический год) продолжается 220-250 млн лет. Расчеты показывают, что скорость Солнца составляет около 220 км/с.

Но и сам Млечный Путь нестатичен:

  • он и его соседка по Местной группе галактик Андромеда притягивают друг друга со скоростью примерно 100-150 км/с;
  • находящаяся недалеко от нас крупная галактика М33 тоже движется в нашем направлении примерно с такой же скоростью;
  • большое скопление Девы, находящееся в 15-20 световых годах от нас, настолько массивное, что притягивает Млечный Путь к себе со скоростью 400 км/сек.

Млечный Путь в космосе. Credit: NASA Solar System Exploration.

Но и Андромеда, и М33, и состоящее не менее, чем из 1500 отдельных галактик скопление Девы тоже не являются стационарными объектами. Все они со скоростью 600 км/час движутся по направлению к Великому Аттрактору. Так называют условную точку, расположенную в глубинах Вселенной и состоящую из множества сверхскоплений, притягивающих к себе все окружающее.

Скорость Земли в космосе складывается из всех этих значений.

Что это означает для нас

Мы не замечаем движения нашей планеты, но, если бы Земля внезапно остановилась, это имело бы плачевные последствия. Наша орбита установилась под влиянием солнечного притяжения и собственного движения планеты. Увеличение в несколько раз первого параметра и/или уменьшение второго приведет к тому, что Земля упадет на Солнце. Обратная ситуация, где солнечная гравитация исчезнет или существенно уменьшится, а планета начнет двигаться сильнее — опасна тем, что мы по касательной улетим в открытое космическое пространство.

А беспокойство о скором столкновении галактик являются преждевременными. Скорость движения Млечного Пути является относительно небольшой. На расстояние равное собственному диаметру он смещается не менее, чем за 200-300 млн лет.

C какой скоростью вращается Cолнечная система вокруг центра галактики Млечный путь?

Susanna Kazaryan 13165 2 года назад Сусанна Казарян, США, Физик

Хотя скорость движения Солнца вокруг центра нашей галактики известна весьма точно (подробно параметры Солнца в составе галактики приведены ), закон по которому движется Солнце не подчиняется законам Кеплера. Но это не особенность Солнца. Законы Кеплера следуют из решения задачи двух тел (т.н. Кеплеровские проблемы), в которых используется приближение точечного аттрактора и пренебрегается взаимодействием с другими объектами. Законы Кеплера прекрасно выполняются для планет в Солнечной системе.

О том, что движение звёзд не подчиняется законам Кеплера было известно уже давно, с 1959 г, по наблюдению звёзд галактики М33 из локальной группы (Треугольник), а впоследствии результаты были подтверждены прецизионными измерениями ( arXiv, 1999 г). Популяризованное изображение из этой работы, описывающее зависимость скорости звёзд (V км/сек) от расстояния R до центра галактики М33 в единицах тысяч св. лет, показано ниже.

Пунктирная кривая − это ожидаемое поведение орбитальных скоростей звёзд в галактике М33 в зависимости от радиуса орбиты при решении задачи N-тел методом моделирования. Кеплеровское поведение соответствует более быстрому спаду пунктирной кривой по закону (∝1/√R) на больших радиусах (R > 15 ксв. лет) и не приведено на рисунке. Наблюдаемые поведения скоростей звёзд от радиусов орбит показаны символами: желтыми и синими, в зависимости от метода измерения. Непрерывная линия − ожидаемое поведение скоростей в рамках модели галактического гало из тёмной материи.

Сама гипотеза существования тёмной материи была высказана Ф. Цвикки задолго до этого (в 1933 г), для объяснения устойчивости галактического скопления Кома, по измерениям радиальных скоростей галактик в составе этого скопления.

Из приведенных выше данных следует, что при отсутствии гало из тёмной материи, галактика не смогла бы удержать звёзды с наблюдаемыми скоростями и быстро распалась бы.

Аналогичные измерения скоростей звёзд для нашей галактики (Млечный Путь) приведены ниже (символы).

На рисунке показано положение Солнца и Кеплеровская зависимость (красная линия) скоростей звёзд от расстояния (кпс).

Очень познавательно (советую всем) просмотреть анимацию результатов моделирования движения звёзд на примере спиральной галактики отсюда, для двух моделей: Кеплеровского вращения звёзд (левая панель) и модели галактического гало из тёмной материи (правая панель). И обратите внимание, что галактические спиральные рукава не меняют своего положения, для двух моделей.

Кривая вращения галактики

Необходимо проверить качество перевода и привести статью в соответствие со стилистическими правилами Википедии. Вы можете помочь улучшить эту статью, исправив в ней ошибки.
Оригинал на английском языке — Galaxy rotation curve.

Кривая вращения типичной спиральной галактики: предсказанная (A) и наблюдаемая (B) (Рис. 1).

Кривая вращения галактики — функция, описывающая кинематические свойства галактики. Может быть представлена графиком, на котором отображена зависимость орбитальной скорости звёзд и газа в галактике (ось ординат) от расстояния до центра галактики (ось абсцисс). Звёзды вращаются вокруг центра галактики с постоянной скоростью в большом диапазоне расстояний от центра галактики. Таким образом, звёзды вращаются гораздо быстрее, чем ожидалось, если бы они находились в свободном потенциале Ньютона.

Проблема вращения галактик — это несоответствие между наблюдаемыми скоростями вращения материи в дисковых частях спиральных галактик и предсказаниями кеплеровской динамики, учитывающими только видимую массу. В настоящий момент считается, что это несоответствие выдаёт присутствие «тёмной материи», которая пронизывает галактику и простирается до галактического гало.

История и описание проблемы

В 1959 году Луиза Волдерс (Louise Volders) показала, что спиральная галактика М33 (Галактика Треугольника) не вращается так, как ожидалось в соответствии с кеплеровской динамикой, в 70-х годах полученный результат был распространён на многие другие спиральные галактики. В соответствии с этой моделью, вещество (такое как звёзды или газ) в дисковой части спирали должно вращаться вокруг центра галактики аналогично тому, как планеты в солнечной системе вращаются вокруг Солнца, то есть в соответствии с механикой Ньютона. Основываясь на этом, можно было ожидать, что средняя орбитальная скорость объекта на определённом расстоянии от наибольшего распределения массы будет уменьшаться обратно пропорционально квадратному корню от радиуса орбиты (штрихованная линия на Рис. 1). Во времена открытия несоответствия считалось, что большая часть массы галактики должна находиться в галактическом балдже, около центра галактики.

Однако наблюдения ротационной кривой спиралей не подтвердили этого. Наоборот, кривая не уменьшается обратно пропорционально квадратному корню, а является «пологой» — снаружи от центрального балджа скорость практически не зависит от радиуса (сплошная линия на Рис. 1). Объяснение, которое требует наименьшего изменения в физических законах вселенной — в том, что существует значительное количество материи на большом расстоянии от центра галактики, которая не излучает свет в таком же отношении «масса-к-свету», как центральный балдж. Астрономы предполагают, что эта дополнительная масса появляется благодаря «тёмной материи» внутри галактического гало. Существование гало первый раз было постулировано Фрицем Цвикки (Fritz Zwicky) сорока годами раньше в его трудах о массах скоплений галактик. В настоящий момент существует большое количество наблюдаемых свидетельств существования «холодной тёмной материи» и её присутствие является значительной особенностью современной Лямбда-CDM модели, которая описывает космологию Вселенной.

Дальнейшие исследования

Являясь важным элементом убеждения людей в существовании «тёмной материи», новейший труд о кривых вращения галактик также бросает ей один из самых больших вызовов. Дальнейшее исследование кривых вращения галактик с низкой поверхностной яркостью (LSB галактик) в 1990 годах и их позиции в соотношении Талли-Фишера показало, что они не ведут себя так, как ожидалось.

Ещё больший вызов теории тёмной материи, или, по крайней мере, её самой популярной форме — холодной тёмной материи (CDM) бросает анализ центров галактик с низкой поверхностной яркостью. Множественные моделирования, основанные на «холодной тёмной материи» дали предсказания формы кривых вращения в центрах систем с преобладанием тёмной материи, таких как эти галактики. Наблюдения кривых вращения не показали предсказанной формы. Эта так называемая «проблема порогового гало» (cuspy halo problem) тёмной холодной материи считается теоретическими космологами «послушной проблемой».

Эти теории тёмной материи продолжают поддерживаться, как объяснение кривых вращения галактики, потому что свидетельства существования тёмной материи получены не только из этих кривых вращения. Они также были успешны в моделировании формирования крупномасштабной структуры в распределении галактик и в объяснении динамики групп и скоплений галактик (как первоначально предложил Цвикки). Наличие темной материи также соответствует результатам наблюдения «гравитационной фокусировки» (гравилинзирования).

Альтернативы тёмной материи

Существует несколько возможностей найти альтернативные тёмной материи объяснения кривым вращения галактик. Одна из самых обсуждаемых альтернатив — теория MoND (модифицированная ньютоновская динамика). Изначально предложенная ещё в 1983 году как феноменологическое объяснение, но которая, как теперь видно, имела и предсказательную силу для кривых вращения галактик с низкой поверхностной яркостью. Эта теория утверждает, что физика гравитации изменяется при больших масштабах, но до недавнего времени она не была релятивистской теорией. Однако, с развитием тензорно-скалярно-векторной гравитации (TeVeS) теории это изменилось. Более успешная альтернатива — это модифицированная гравитация Моффата (MOG), такая как, например, скалярно-тензорно-векторная гравитация (STVG). Джоэл Бронштейн и Джон Моффат приложили MOG к проблеме ротационных кривых галактик и показали её пригодность для выборки из более чем 100 LSB, HSB и карликовых галактик. Каждая из представленных кривых вращения галактик подходила без необходимости в скрытой массе, используя только доступные фотометрические данные (звёздное вещество и видимый газ).

> См. также

  • Эффект «Пионера»
  • Вера Рубин
  • Модифицированная ньютоновская динамика
  • Тёмная материя

> Примечания

Ссылки

Для улучшения этой статьи желательно:

  • Проверить качество перевода с иностранного языка.

Пожалуйста, после исправления проблемы исключите её из списка параметров. После устранения всех недостатков этот шаблон может быть удалён любым участником.

Астрономы открыли удивительное явление, которое помогает понять, как успели вырасти сверхмассивные чёрные дыры. Речь идёт о «хищнице», вокруг которой вращаются сразу два кольца вещества, причём в противоположных направлениях. При этом, что особенно поразительно, внешнее кольцо находится очень близко к внутреннему. Такого наблюдатели не видели ещё никогда.

Человечеству невероятно повезло застать существование такой структуры: уже через несколько сотен тысяч лет она должна закончить своё существование в фейерверке, впечатляющем даже по космическим меркам.

Открытие описано в научной статье, опубликованной в издании Astrophysical Journal Letters.

Напомним, что в центрах почти всех известных галактик есть сверхмассивные чёрные дыры, на которые падает вещество. Раскаляясь от трения, эта материя излучает мощные электромагнитные волны, благодаря чему её и наблюдают астрономы. Довольно часто облако падающего вещества имеет форму диска, вращающегося вокруг чёрной дыры.

В спиральной галактике NGC 1068 (она же M 77), расположенной в 47 миллионах световых лет от Земли в созвездии Кита, астрономы давно наблюдали такой диск. Но, наведя на него радиотелескоп ALMA с его огромной разрешающей способностью (способностью различать мелкие детали), они обнаружили нечто весьма любопытное.

«Благодаря впечатляющей разрешающей способности ALMA мы зарегистрировали движение газа по внутренним орбитам вокруг чёрной дыры, – рассказывает Виолетте Импеллиццери (Violette Impellizzeri) из Национальной радиоастрономической обсерватории США, первый автор статьи. – Удивительно, но мы обнаружили два диска газа, вращающихся в противоположных направлениях».

Внутренний диск, или, точнее, тор («бублик»), имеет внутренний диаметр в два и внешний диаметр в четыре световых года. Он вращается в том же направлении, что и вся галактика. Внешний тор примыкает к внутреннему почти вплотную. Его внутренний диаметр составляет примерно четыре, а внешний – двадцать два световых года. Он вращается в противоположном направлении.

«Мы не ожидали увидеть это, потому что газ, падающий в чёрную дыру, обычно вращался вокруг неё только в одном направлении, – объясняет Импеллиццери. – Что-то должно было нарушить поток, потому что часть диска не может начать вращаться в обратном направлении сама по себе».

Полученное телескопом ALMA изображение центрального объекта NGC 1068. Синим показан газ, приближающийся к Земле в момент наблюдения, красным – удаляющийся. Белые конусы – газ, покидающий диск.

Поясним во избежание недоразумений, что галактика не вращается вокруг своей центральной чёрной дыры под действием её гравитации, как планеты вокруг Солнца. Для этого просто нет причин. Масса Солнца составляет более 99% массы Солнечной системы, тогда как масса центральной чёрной дыры образует лишь ничтожную долю массы галактики. Более того, хорошо заметное вращение вокруг своей оси вообще имеют не все галактики, а только спиральные (к каковым NGC 1068 как раз относится).

Облако вокруг чёрной дыры может вращаться как в ту же сторону, что и галактика, так и в противоположную. Для обширной статистики пока не хватает данных, но астрономы считают, что большинство дисков вращается всё-таки так же, как родительская галактика. Так должно происходить просто потому, что это облако образуется из вещества, входящего в состав звёздной системы, и нужно какое-то особое воздействие, чтобы закрутить его в противоположную сторону.

Вместе с тем иногда астрономы наблюдают вокруг сверхмассивной чёрной дыры два тора, вращающихся в противоположных направлениях. Такие случаи редки, но NGC 1068 не одинока в этом отношении. Как полагают эксперты, подобные эксцессы вызваны столкновениями или иными взаимодействиями галактик. NGC 1068 делает уникальным близость двух «колёс», ведь обычно внешний тор отстоит от внутреннего на тысячи световых лет.

Авторы предполагают, что и в данном случае внешний тор образовался благодаря гравитации проходившей мимо галактики. Возможно также, что материалом для него послужили облака газа, по какой-то причине исторгнутые из основного тела галактики и приблизившиеся к чёрной дыре.

Структура из двух близко расположенных, но вращающихся в противоположных направлениях торов нестабильна. Авторы полагают, что нужно лишь несколько оборотов (которые займут несколько сотен тысяч лет, что по астрономическим меркам совсем не много), чтобы внешний тор начал падать на внутренний.

Стройное вращение газа нарушится, и огромные массы вещества отправятся прямо в пасть чёрной дыры. Сталкиваясь друг с другом, облака газа и пыли выделят в виде тепла огромную энергию. Это будет выглядеть как взрыв невероятной силы. В результате масса центральной чёрной дыры, уже сейчас составляющая почти 17 миллионов солнц, значительно вырастет.

К слову, это может стать ответом на загадку, которая давно беспокоит специалистов. Как показывают наблюдения, сверхмассивные чёрные дыры уже существовали как минимум через миллиард лет после Большого взрыва (произошедшего, напомним, 13,8 миллиарда лет назад). Современные теории не могут объяснить, как они успели так быстро набрать массу.

Благодаря NGC 1068 появилась интересная версия. Возможно, по крайней мере часть из этих монстров молниеносно набрала вес в результате крушения системы из двух торов, описанных выше (хотя не исключено, что всему виной гамбургеры).

Напомним, что ранее «Вести.Наука» (nauka.vesti.ru) писали о космическом фонтане, бьющем из окрестностей огромной чёрной дыры, и о том, как подсмотреть за рождением сверхмассивного монстра.

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *