Млечный Путь

В ясную ночь вдали от городских огней на небе можно увидеть причудливую туманную полосу — Млечный Путь. Астрономы прошлых лет размышляли о природе этого астрономического объекта и выдвигали самые разные предположения, некоторые из которых были весьма близки к истине. Сегодня мы знаем, что Млечный Путь — это наша родная галактика, гигантское скопление звезд, в котором сформировалась Солнечная система и Земля как ее часть. В этой статье мы поговорим о главных особенностях Млечного Пути, разберем историю его формирования и вспомним ключевые исследования, которые привели к современному пониманию структуры нашей галактики.

Структура и особенности Млечного Пути

Млечный Путь относится к типу дисковых спиральных галактик с перемычкой. Термин «галактический диск» возник из-за особенностей формы таких галактик: диаметр Млечного пути оценивается в 85 000–100 000 световых лет, тогда как его вертикальная толщина варьируется от 100 до 1 000 световых лет. Если в воображении уменьшить Млечный Путь до размеров блина, имеющего  30 сантиметров в диаметре, то в некоторых местах его толщина не будет превышать 0,3 миллиметра, что примерно соответствует толщине 3 человеческих волос.

Не имея возможности увидеть Млечный Путь со стороны, ведь мы находимся внутри изучаемого объекта, ученые до сих пор не создали общепринятую модель его структуры. По распространенной версии, в центральной части галактики находится балдж — сферическое формирование со средним диаметром около 8 300 световых лет. В нем звезды движутся по сильно вытянутым и зачастую хаотическим орбитам вокруг сверхмассивной черной дыры Стрелец А. По другой гипотезе, у Млечного Пути есть лишь псевдобалдж — утолщенный диск, звезды в котором имеют упорядоченные круговые орбиты.

Балдж, или псевдобалдж, пересекает перемычка, которую в астрономии называют «бар» (от английского «bar» — «перекладина»). Это плотное скопление звезд функционирует как гравитационный «мостик», который связывает спиральные рукава галактики. Стимулируя активное движение межзвездного газа, бар играет важную роль в процессах звездообразования и формировании спиральных рукавов в Млечном Пути.

Спиральную структуру Млечного Пути, как и других галактик этого типа, лучше всего объясняет теория волн плотности, которую в 1964 году разработали американские астрофизики китайского происхождения Цзяцяо Линь и Фрэнк Шу. Согласно их концепции, из-за гравитационной нестабильности в плоскости галактического диска образуются области повышенной плотности. Попадая в них, звезды замедляют свое движение, формируя стабильные структуры — рукава. Рукава закручиваются из-за разной скорости движения звезд в зависимости от их удаленности от центра галактики.

Считается, что в Млечном Пути с центральной перемычкой соединены 2 основных спиральных рукава: Центавра и Персея. Это наиболее яркие и стабильные структуры с повышенной концентрацией звезд, газа и пыли, в которых наиболее активно формируются новые звезды. Вторичными называют спиральные рукава Стрельца и Наугольника. Предположительно они также отходят от перемычки, однако имеют неоднородную структуру и играют незначительную роль в галактическом звездообразовании.

Местоположение Солнечной системы в Млечном Пути

Солнечная система находится в дополнительном звездном образовании, известном как рукав Ориона, на удалении порядка 26 000 световых лет от центра Млечного пути. Рукав Ориона располагается в сравнительно небольшой области пространства между рукавами Персея и Стрельца. Он не относится ни к главному, ни к вторичному типу, так как представляет собой локальное ответвление, обособленную часть спирального узора галактики. Толщина и длина рукава Ориона оцениваются в 3 500 и 11 000 световых лет соответственно. Именно в нем находится абсолютное большинство из порядка 5 000 звезд, различимых с Земли невооруженным глазом.

Типы звезд и объекты Млечного Пути

По разным оценкам, в Млечном Пути содержится от 100 до 400 млрд звезд. Столь высокая разница в показателях объясняется тем, что маломассивные звезды очень трудно обнаружить на значительном отдалении от Земли. При этом в ближайшей к Млечному Пути галактике Андромеды количество звезд посчитано значительно точнее (около 1 трлн), ведь ученые могут наблюдать и исследовать ее целиком, как единый астрономический объект. Состав Млечного Пути представлен следующими основными типами звезд.

• Карликовые. Абсолютное большинство звезд в Млечном Пути относится к типу красных карликов — тусклых объектов, масса которых составляет не более трети от солнечной. Порядка 7% звездного населения галактики представлено желтыми карликами — звездами, похожими на наше Солнце. На финальном этапе своей эволюции небольшие звезды сбрасывают свои внешние слои, обнажая остатки ядер — белые карлики. Ученые считают, что в Млечном Пути может существовать порядка 10 млрд белых карликов.
• Гигантские. Звезды большой массы, гиганты и сверхгиганты, встречаются в нашей галактике достаточно редко. Это связано с непродолжительным временем их существования. Например, сверхгиганты, диаметр которых в 1 000 раз превышает солнечный, полностью сжигают водород и гелий в своих недрах за несколько сотен тысяч лет. Для сравнения: основная часть жизненного цикла Солнца продлится 10-12 млрд лет, а красные карлики могут существовать до 10 трлн лет.
• Нейтронные. Звезды этого типа представляют собой ядра, остающиеся от сверхгигантов в результате взрывов сверхновых и последующего гравитационного коллапса. Диаметр нейтронных звезд в среднем составляет порядка 20 километров, но при этом их масса зачастую превышает солнечную. В условиях столь экстремальной плотности электроны буквально вдавливаются в ядра атомов вещества, образуя нейтроны (отсюда и исходит название термина «нейтронная звезда»). В Млечном Пути находится не более 1 млрд нейтронных звезд.
• Черные дыры. Безусловно, черные дыры не являются звездами, однако значительная часть из них имеет звездное происхождение. Процесс их образования схож с рождением нейтронных звезд, но гравитационный коллапс ядра приводит к образованию области с невероятно высокой плотностью — сингулярности, в которой перестают действовать физические законы. Черные дыры звездной массы искривляют пространство-время так сильно, что даже безмассовые фотоны не могут покинуть их гравитационное поле.

Пространство между звездами в Млечном Пути заполнено разреженным газом и частицами пыли. Плотность атомов в межзвездной среде значительно ниже, чем в вакууме, который ученые могут создать в лабораторных условиях. Наиболее распространенными элементами в межзвездной среде являются водород и гелий (главные составные части звезд), а также углерод, кислород и азот.

Темная материя и темная энергия в Млечном Пути

Хотя никто не может точно ответить на вопрос, что такое темная материя, она является важнейшей составной частью Млечного Пути. По результатам расчетов общая масса нашей галактики составляет около 1,5 * 10¹² масс Солнца, однако при этом на известное вещество приходится не более 7-10% от этого показателя. Колоссальную «недостающую» массу приписывают гипотетической форме материи, которую называют темной.

Согласно гипотезам, темная материя сыграла важную роль на этапе формирования Млечного Пути. Вскоре после Большого взрыва, около 13,5 млрд лет назад, из нее образовались сгустки — гало, которые сливались друг с другом, образуя все более крупные структуры. Гало темной материи создавало своеобразные гравитационные «ямы», в которых собирались газы. Впоследствии в этой системе начались процессы звездообразования и зародилась галактика Млечный Путь. Темная материя продолжает оказывать влияние на нашу галактику, не позволяя далеким от ее центра звездам разлететься в разные стороны.

Темная энергия — это еще одно гипотетическое физическое понятие. Она отвечает за ускоренное расширение Вселенной. Согласно наблюдениям, чем дальше другие галактики находятся относительно Млечного Пути, тем быстрее они от него отдаляются. Темная энергия почти не проявляет себя в масштабах галактик и их скоплений, так как ей противодействуют силы гравитации. Тем не менее, она играет ключевую роль в изменении структуры всей Вселенной.

Будущее Млечного Пути

Млечный Путь и удаленная от него на 2,5 млн световых лет галактика Андромеды образуют двойную галактическую систему. По космическим меркам эти галактики находятся так близко друг к другу, что их гало темной материи или уже соприкоснулись, или находятся в тесном гравитационном взаимодействии. Вследствие этого Млечный Путь и Андромеда сближаются со скоростью порядка 120 километров в секунду, и через 4,5 млрд лет этот процесс завершится масштабным столкновением и последующим слиянием галактик.

Слияние Млечного Пути и Андромеды займет еще около 2 млрд лет. Вращаясь вокруг общего центра масс, галактики будут активно обмениваться веществом, формируя красочные и разветвленные структуры и стимулируя звездообразование. В конечном итоге сверхмассивные черные дыры в центрах галактик сольются в одну, и образуется новая эллиптическая галактика, то есть галактика с нарушенной дисковой структурой. И хотя этот процесс произойдет в очень отдаленном будущем, уже сегодня у новой галактики есть название — Млекомеда. Впрочем, новое исследование, в котором использовались данные, полученные при помощи  телескопов «Хаббл» и «Gaia», ставит этот прогноз  под сомнение. 

При галактическом слиянии вероятность столкновения хотя бы 2 звезд ничтожно мала из-за огромного расстояния между ними. Если представить звезды в виде мячиков для настольного тенниса, при соблюдении масштабов среднее расстояние между ними составит более 3 километров. Точная судьба Солнечной системы неизвестна. Скорее всего, она выйдет на новую орбиту, в 3 раза дальше от галактического центра, чем в настоящее время. Однако также есть вероятность, что Солнце будет выброшено из Млекомеды и отправится в одинокое путешествие по космическому пространству.

Ранние исследования Млечного Пути

Вероятно, первые предположения о том, что Млечный Путь — это свечение звезд, сделал древнегреческий философ Демокрит в V веке до нашей эры. Аристотель, спустя век упомянувший об этом в своем трактате «Метеорологика», оспаривал точку зрения Демокрита и утверждал, что туманная полоса в небе — это явление на внешней границе земной атмосферы. Концепция Аристотеля долгое время оставалась общепринятой, однако ее критиковал византийский философ Олимпиодор Младший, живший в VI веке нашей эры. Он был убежден, что, если Млечный Путь находится ниже орбиты Луны, у него должен быть параллакс, то есть смещение видимого положения на небе относительно более далеких объектов, однако в действительности параллакс не наблюдался.

Современное понимание природы Млечного Пути начало формироваться в *+1610 году, когда Галилео Галилей в изобретенный им же телескоп смог различить отдельные тусклые звезды. В 1750 году британский астроном Томас Райт совершенно правильно предположил, что Млечный Путь — это вращающийся объект, состоящий из звезд, удерживаемых вместе силами гравитации. Видимые на небе туманности, по его мнению, были другими галактиками или, как их тогда называли, «островными вселенными». Подтверждение гипотезы Райта было получено в 1924 году, когда американский астроном Эдвин Хаббл доказал, что Млечный Путь, Андромеда и Треугольник удалены друг от друга так сильно, что не могут входить в единую звездную структуру, а значит, являются отдельными галактиками.

Исследование Млечного Пути современными методами

Развитие технологий открыло принципиально новые методы для изучения Млечного Пути. Еще в 1930-х годах американский физик Карл Янский стал основоположником нового направления науки — радиоастрономии. Именно он с помощью первого прототипа радиотелескопа обнаружил мощное непрерывное излучение, идущее из центра галактики. «Заглядывая» все дальше за плотный слой пылевых облаков, ученые впоследствии открыли ядро Млечного Пути — сверхмассивную черную дыру Стрелец А.

С началом эпохи спутниковой астрономии ученые еще больше расширили понимание структуры Млечного Пути. Космический телескоп Европейского космического агентства «Hipparcos», запущенный в 1989 году, передал на Землю огромное количество данных, позволивших с высокой точностью определить координаты порядка 120 000 звезд. Впоследствии на основании обобщенных данных наземных и космических обсерваторий был составлен каталог с 2,5 млн звезд Млечного Пути, с указанием их местоположения и параметров движения.

В 2013 году Европейское космическое агентство запустило более совершенный космический телескоп «Gaia», оснащенный инструментами для наблюдений в расширенных диапазонах, от ближнего ультрафиолетового до ближнего инфракрасного, что позволяло идентифицировать тусклые объекты. На основании снимков «Gaia» была составлена подробная трехмерная карта ближайшей к Земле области Млечного Пути с указанием параметров почти 2 млрд звезд.

Влияние Млечного Пути на культуру

Млечный Путь оказал существенное влияние на культуру и, в частности,  на мифологию разных народов мира. Само его название восходит к древнегреческой легенде о Геракле — сыне Зевса и смертной женщины Алкмены. Пока царица богов Гера спала, Зевс поднес к ее груди новорожденного Геракла. Проснувшись, Гера увидела, что кормит незнакомого младенца и оттолкнула его от себя. Брызнувшее молоко осталось на небе в виде полосы — Млечного Пути.

В славянском фольклоре Млечный Путь зачастую называли «дорогой души», связывающей миры живых и мертвых. В соответствии с верованиями, иногда эту дорогу можно было увидеть и днем — в виде радуги. В древнерусской культуре также встречалось название «соломенный путь», символизирующий рассыпанную солому и связанное с ней изобилие. Ассоциации с рассыпанной соломой также встречаются и в древней армянской мифологии.

В истории других культур встречаются самые разные интерпретации Млечного Пути.

• Египетская — след от коровьего молока, символизирующий плодородие.
• Месопотамская — отрубленный хвост первозданной богини-дракона Тиамат.
• Прибалтийская — «птичья дорога», к которой стремятся птицы, улетающие на зимовку.
• Индийская — «небесная река Ганг».
• Бушменская (Южная Африка) — угольки от костра, которые бросала молодая девушка, чтобы осветить небо.

Вопрос-ответ

Какое место занимают Солнце и Земля в пределах Млечного Пути?

Солнце и Земля находятся на отдалении в 26 000 световых лет от центра Млечного Пути, в небольшом спиральном ответвлении — рукаве Ориона.

Что представляет собой Млечный Путь и каково его положение в пространстве?

Млечный Путь представляет собой спиральную галактику с перемычкой. Он входит в Местную группу, также включающую галактики Андромеды и Треугольника, а также более 100 карликовых галактик и звездных скоплений.

Какие части входят в структуру Млечного Пути и как они выглядят?

Структура Млечного Пути до сих пор не изучена полностью. По общим представлениям, сверхмассивную черную дыру в его центре окружает сферический балдж. Балдж пересекает перемычка, от которой отходят 2 основных и 2 вторичных спиральных рукава.

***

Млечный путь — это грандиозная космическая система, которая является домом для миллиардов звезд, включая и наше Солнце. Наблюдая за полосой в ночном небе, мы видим лишь малую часть галактики и можем лишь представить, каким величественным выглядел бы ее диск со стороны. В будущем ученые наверняка смогут раскрыть тайны нашей галактики, скрывающиеся за плотными газопылевыми облаками, и открыть новую главу в исследовании Млечного Пути.

Автор текста Иван Стефанов

Изображение на обложке: ESO/B. Tafreshi (twanight.org)