Проф. В.А. Захожай АСТРОФИЗИКА И ЗВЕЗДНАЯ АСТРОНОМИЯ /с элементами космогонии/ - презентация

1 Проф. В.А. Захожай АСТРОФИЗИКА И ЗВЕЗДНАЯ АСТРОНОМИЯ /с элементами космогонии/

2 Разделы астрономии Астрометрия Звездная астрономия Небесная механика Космогония Астрофизика Космология Астрофизика – наука* о природе небесных тел и космического вещества. Звездная астрономия – наука, изучающая звездные системы. Космогония – наука, изучающая происхождение и развитие космических тел и их систем * – наука раздел астрономии. Объект исследования – первичное и более широкое понятие. Предмет исследования – выделяется определенное свойство объекта.

3 Астрофизика Объект исследования – космические тела и космическое вещество: Звезды. Субзвезды. Планеты. Вещество, входящее в состав космических тел и газопылевой составляющей Вселенной Предмет исследования: Физические свойства. Элементный и химический состав. Процессы, происходящие в космических телах и космическом веществе.

4 Звездная астрономия Объект исследования – звездные системы: Кратные звезды (суп звезды) и планетные системы. Звездные скопления и ассоциации. Галактики и их объединения различного уровня иерархии подгруппы, скопления, группы, сверхскопления Предмет исследования: Общие закономерности. Состав. Звездная статистика. Кинематика. Динамика. Космография – подраздел, изучающий структуру Метагалактики (Вселенной).

5 Космогония Объект исследования – происхождение и эволюция космических объектов: Космических тел. Космического вещества. Звездных систем и их объединений различного уровня иерархии. Предмет исследования: Процесс образование космических тел, звездных систем. Эволюция динамическая, химическая, фотометрическая, состава космических объектов. Изменение статистических свойств с возрастом выборок космических объектов, звездных систем, объединений различного уровня иерархии.

6 Связи между астрофизикой, звездной астрономией и космогонией настолько велики, что без эволюционной составляющей объяснение всего разнообразия космических объектов невозможно для объяснения и понимания. Этим вызвано и название лекции Астрофизика и звездная астрономия /с элементами космогонии/ Лекция состоит из 2-х частей: астрофизической, звездно астрономической, включающей все вопросы перечня Гос. экзамена

7 Астрофизическая составляющая: Классификация космических тел звезд, суп звезд, планет и экзопланет. Спектральная (одно- и двумерная) классификация звезд и суп звезд. Свойства космических тел на ключевых стадиях эволюции зависимость от = начальной массы, = элементного (химического) состава; эволюционная диаграмма Герцшпрунга-Рессела; особенности эволюции звезд в ТДС; схема «предки потомки».

8 Звездно астрономическая составляющая: Классификация звездных систем и их объединений. Основные свойства кратных звездных систем, планетных систем, звездных скоплений и ассоциаций, галактик, объединений галактик разного уровня иерархии, межзвездной среды в звездных системах. Звездная статистика. Кинематика и динамика звездных систем. Космография Местная звездная система (Пояс Гулда); Галактика и Наша звездная система; Местная группа галактик (МГГ) = подсистема Андромеды, = галактики Периферии; Местное сверхскопление = окрестности МГГ, = общая структура; Пространственно-временная структура Вселенной. Эволюция звездных систем. Общий сценарий развития Вселенной.

9 Классификация космических тел Космические тела различают по их начальной массе, механизму образования, характерным процессам, происходящим в недрах, энергетике, ответственной за их светимость. Шкала масс Астероидные тела метеорное вещество Планеты Субзвезды Звезды _________________ ____________________________ _____________ _____ ___ ÷ ÷600? М/М

10 З в е з д ы – космические тела, образующиеся путем само- гравитации, и эволюционирующие за счет гравитационного сжатия и термоядерных реакций, включая полный протон- протонный цикл, в результате которых из ядер легких элементов синтезируются ядра более тяжелых элементов. С у б з в е з д ы – космические тела, образующиеся путем само гравитации, содержащие вещество с различной степенью вырождения электронов и ионизации атомов, и эволюционирующие за счет запасов внутренней энергии. П л а н е т ы – космические тела, образующиеся путем коагуляции, находящиеся в конденсированном состоянии и эволюционирующие вследствие гравитационной дифференциации вещества. Классификация космических тел

11 Звезды Sp: WR О B A F G K M5 Характеристики: V: М = М R R T ef K L L III: R R I: R > 100 R I III: 3 α р-ция … Fe, Co, Ni CNO цикл М > М V: р-р цикл Рор I: М М Pop III

12 Основные стадии эволюции звезд – Протозвезда. – Главная последовательность. – Гигант. – Звездные остатки = белый карлик, = нейтронная зв., = черная дыра.

13 Зависимость «масса гигантов нулевого возраста – масса звезд нулевого возраста (Pop I)» Темп эволюции звезд зависит от механизма передачи энергии «с центра наружу»; элементного состава; начальной массы; потери массы вещества. Особенности строения и эволюции звезд Звезды Pop III теряют за счет звездного ветра 3% при М = 300 М, 5% при М = 500 М ; при М > 280 М заканчивают эволюцию стадией черных дыр. конвективное лучистое Зоны равновесия

14 Внутренняя структура звезд по результатам численного моделирования Главная последовательность

15 Внутренняя структура звезд по результатам численного моделирования Звезды-гиганты Сверхгиганты

16 Звезды Рор III [Schaerer D. A&A, 2002, 382, 28] У звезд населения III ожидаются систематически меньшие радиусы и большие эффективные температуры

17 Зависимость «время горения водорода – масса звезд нулевого возраста» Зависимость «масса звездного остатка – масса звезд нулевого возраста» Особенности эволюции звезд Максимальные массы (М/М ) звезд ч. д. («зв.»): Pop I Pop III Захожай, 2007

18 Шкала звездных масс Субзвезды Звезды _______________ _____________ __________ ____ ǀ __________ ______ ________ М/М Шкала масс звездных остатков Черные карлики Бел. карлики Нейтр. звезды Черные дыры Межзв. газ _______________ _____________ __________ ____ ǀ __________ ______________ М/М Захожай, 2007 Звезды звездные остатки

19 Звездные остатки 1-я стадия (t < 10 Мг ) пульсары Белые карлики Нейтронные звезды Черные дыры Рожденные частицы, улетая из эргосферы на, уносят Е ч.д. : Ω I момент импульса тела, из которого возникла ч.д.

20 Основные стадии эволюции звезд 0.08___0.25____0.5_____2.3______8______25______100___120_____150 M/M M/M 0.08 – min M зв 0.08 – 0.25 – полностью конвективные звезды (не проходят стадию гигантов) 0.08 – 0.5 – конечная стадия: Не- белый карлик < 2.3 – начало 3α- рации идет в вырожденном ядре (Не- вспышка) 8 – конечная стадия – белый карлик 8 – 25 – конечная стадия – нейтронная звезда (вырождение в ядре не наступает вплоть до образования хим. элементов «железного пика» ( 56 Fe, 58 Co, 59 Ni) 25 – 100 – конечная стадия – черная дыра > 100 – звездные остатки не образуются 120 – 150 – не проходят стадию гигантов 150 – max M зв В звездах образуются все химические элементы до «железного пика» 251 Cf (Калифорний) – max масса ядра хим. элементов, образующаяся при взрыве сверхновых звезд

21 Особенности эволюции звезд в ТДС Эволюционные «сценарии» компонентов ТДС Штриховые линии полость Роша, положение центра масс. Т время жизни. N – ожидаемое число объектов в Галактике М < 8 М М > 8М 1%

22 Особенности эволюции звезд в ТДС Звезды WR: T ef K Не- белые карлики в ТДС (шаровое скопление NGC 6397) Синие квадраты гелиевые белые карлики, фиолетовые кружки «нормальные» белые карлики с высоким содержанием углерода

23 Субзвезды При M < 0.08 M (T c < K, Sp 5.5V) полный р р цикл не идет Sp: WR О B A F G K M5 M5.5 L T Y звезды суп звезды При Т с 0.07 M литий M > 0.06 M дейтерий M > M У объектов с M < M не идут никакие реакции

24 Субзвезды Sp: WR О B A F G K M5 M5.5 L T Y звезды суп звезды M5.5–M9.5: Т эф = 2800 – 2400 K, L: 2400 – 1500 K, T: 1500 – 900 K, Y: < 900 K. Спектральный класс не зависит от масс, зависит от возраста. Климат Остывание (Т < K) Fe-, Si- газов в атмосфере ведет к образованию из их конденсата (капелек и частиц) облаков. Наблюдения (КТ Хаббла и Спитцера): Нисходящие потоки Fe-, Si- частиц и капель. Интерпретация: наличие дождей из этих частиц. Эпизодическое увеличение яркости. Интерпретация: обнажение нижних более горячих слоев атмосферы вследствие рассеивания облаков в процессе метеорологических процессов.

25 Эволюция вещества недр

26 Планеты и экзопланеты П л а н е т ы – космические тела, образующиеся, как правило, путем коагуляции, находящиеся в конденсированном состоянии и эволюционирующие вследствие гравитационной дифференциации вещества М min M способная образоваться путем само гравитации [M. Rees, 1976] М max M способная образоваться путем коагуляции [E.I. Vorobyov, S. Basu, 2013; B. Ma, J. Ge, 2013] М min M достаточная для горения дейтерия [A.S. Grossman, H.C. Graboske, 1973] Шкала масс Астероидные тела метеорное вещество Планеты Субзвезды Звезды _________________ _//////////////////////// ________________ __________ __________ ÷ ÷ ÷600? М/М

27 Классификация планет и их атмосфер Металлические (Ме): ρ ~ 8 г/см 3, M min ~ г М, R min 780 км. Силикатные (Si): ρ ~ 3 г/см 3, M min ~ г М, R min 500 км. Время эволюции (Т э ~ 10 8 лет) сравнимо со временем аккумуляции планет земного типа. Тела с M < М перестают эволюционировать сразу после образования. Ледяные (Ic): ρ ~ 1 г/см 3, M min ~ г М, R min 340 км. Водородно-гелиевые (Н-Не): ρ ~ 1 г/см 3, M min ~ г М ~ M, R min км. Планеты способные удерживать Н-Не - атмосферу. Шкала масс Астероидные тела метеорное вещество Планеты Субзвезды Звезды _________________ _ _______________ ____________ _________ ÷ ÷600? М/М В зависимости от удаленности от ц. объекта возникают условия для формирования планет различных типов:

28 – класс Юпитера (T ef 150 K) с аммиачными облаками; – водяной класс (T ef 250 K) с преобладанием в облаках конденсированной воды; – класс без облаков (T ef 350 K); – высокотемпературный класс (T ef 900 K), где преобладает поглощение щелочными металлами и железом. Аммиачный класс атмосфер соответствует водородно- гелиевым планетам, поскольку молекулы метана, аммиака, водорода, азота и воды наиболее характерны для низкотемпературной зоны околозвездного окружения. Высокотемпературный класс должен быть характерным для наиболее близких к звездам планетам, вероятно, – металлическим. Вода и углекислый газ, по-видимому, характерны для атмосфер, температура которых K, как это наблюдается в Солнечной системе у силикатно-металлических планет. Классификация планет и их атмосфер В зависимости от удаленности от ц. объекта возникают условия для формирования планетных атмосфер:

29 Проявление общих закономерностей в Солнечной системе Силикатно-металлические и Силикатно-металлические (Me-Si) и металло-силикатная планеты металло-силикатная планеты (Si-Me) Водородно-гелиевые планеты Водородно-гелиевые планеты (Н-Нe) Ледяные гиганты Ледяные гиганты (gIc) Карликовые планеты Карликовые планеты (d) dSi-Me: Луна Ио Ганимед Европа dIc-Si: Миранда dSi-Ic: Каллисто Титан Церера dIc Тефия Плутон

30 Внутренняя структура планет по результатам численного моделирования

31 Планеты и экзопланеты 1995 г. – открытие «горячего юпитера» Беллефонт у 51 Peg [M. Mayor, D. Queloz]. Т пов 1000 о С, V ветра 1000 км/ч, Облака из Fe- пара. 51 Peg b: M pl _ min = 0.5 M J, P = 4.2 d a 0.05 а.е. 51 Peg b

32 Результаты поиска экзопланет Астрометрический 1 планета (!) у 1 пл. сис*. Лучевых скоростей 711 планет у 534 пл. сист. (128 кратные) Транзитов 2719 планет у 2034 пл. сист. (453 кратные) Прямое детектирование планет 83 планет у 76 пл. сист. (5 кратные) протопланетных дисков около 1000 у одиночных и кр. сист. Гравитационное микролинзирование 56 планет у 54 пл. сист. (2 кратные) Периодических пульсаций 24 планет у 19 пл. сист. (4 кратные) Всего открыто 3610 планет у 2704 планетных систем (у 610 – 2-е и более пл.) ______ *HD : M Зв = 0.9 М, r = 15 пк, M Пл = 1.5 М J, a = 1.76 а.е.

33 Основные стадии эволюции космических тел Звезды: – протозвезда, – гл. последовательность, – гигант, – звездные остатки. Субзвезды: – протозвезда, – стадия сжатия. Планеты: – протопланета, – дифференцияация недр, – выделение ядра – остывание недр.

34 Схема «предки потомки» Масса объектов – 10 М/М Объекти Черные карлики Черные дыри Звезды, суп звезды, планеты Масса остатков – 10 М/М Остатки Черные карлики Белые карлики Нейтронные звезды Черные дыри Газо-пылев. среда Элем. состав ядра в конціе стадии гиганта Н-НеС-О O- Ne- Mg- Fe-Co-Ni Не-… Fe τ гп ·10 6 лет 2.4· М/М Элем. состав ядра в конце стадіии главной последоват. Н-Не Не Начальная ~25 ~ М/М масса

35 Классификацию звездных систем и их объединений Космические тела входят в различные объединения: звездные, суп звездные, планетные и комбинированные. Чаще всего системы явл. комбинированными, т.е в их состав входят космические тела различных классов. Звездные системы Кратные звездные системы ( N 20 ), – планетные системы; звездные скопления и ассоциации (N ~ ); галактики (N ~ ).

36 Объединения галактик подгруппы (семейства) N г несколько десятков; группы 1 ÷ 2 подгрупп; N г < 100; скопления N г 10 2 ; сверхскопления ~ 10 2 групп; N г > 10 4 ; гиперскопления ~ 10 2 сверхскоплений; N г ~ Скопление галактик Abell 370 Скопление галактик в Геркулесе Классификацию звездных систем и их объединений

37 Кратные звездные системы Это гравитационно-связанные системы с 2-х и более компонентов звездной (или суп звездной) природы, вращающихся вокруг общего центра масс. Системы, состоящие исключительно из суп звезд, относят к суп звездным. Компонентами одиночных звезд и суп звезд, кратных звездных и суп звездных систем могут быть планеты: они образуют планетные системы.

38 В зависимости от удаленности, ориентации к наблюдателю, физических характеристик компонентов: широкие (> 85%); затменные ( 6%); спектрально-двойные ( 6%); астрометрически-двойные; тесные двойные ( 1%). Неустойчивые. Устойчивые. Кратные звездные системы

39 Планетные системы Kepler-16b (2012 г.), Kepler-34b, Kepler-35b, Kepler-38b, Kepler-47b, c, Kepler-64b, … Все открытые экзопланеты в составе планетных систем Р- типа – газовые гиганты Разделяются на S- и Р- типа. Входят в состав: S- типа – одиночных и кратных звезд и суп звезд; Р- типа – только ТДС. Подавляющее число планетных систем относится к S- типу (2553 на г.) КТ «Кеплер» Ø = 1.4 м

40 Ближайшие к Солнцу планетные системы Ближе 10 пк от Солнца у 23 звезд открыто 67 планет ( вкл. 8 больших в СС). с 1-й планетой – 7 сист. ; с 5-ю планетами – 1 сист.; с 2-я планетами – 8 – « – ; с 6-ю – « – – 2 – « – ; с 3-я – « – – 3 – « – ; с 7-ю – « – – 1 – « – ; с 4-я – « – – 1 – « – ; с 8-ю – « – – Солн. – « – ; 20% – юпитероподобные (H-He); 20% – урано-нептуновые (gIc); 60% – «большие земли» и землеподобные (Si). Находятся в зоне жизни 12 Si- пл. (1/2 известен возраст t): Каптейн b, Глизе 581 d, g, t, Гг – 8; Проксима Центавра b – – – 6; τ Cet, – – – 6;; Земля, – – – 4.5; Глизе 667 Cc, – – – 2.

41 Система Eri 2 астероидн. пояса (осколочные диски): r 1_внешн. = 3 а. е., r 2 внешн. = 20 а. е.; кометный пояс r = а. е; планеты: b – m J, a 3.3 a.e.; ? c – 0.1 m J, P = 280 лет Возраст – 500 Мг r = 3.22 пк (10.5 св. лет) Ближайшие к Солнцу планетные системы

42 В далеком созвездии Тау Кита Все стало для нас непонятно,- Сигнал посылаем: "Вы что это там?"- А нас посылают обратно. На Тау Ките живут в красоте – Живут, между прочим, по-разному – Товарищи наши по разуму.... В. Высоцкий Система τ Cet CETI: на = 21 см, = 1420 Мгц (Н Т < 100 K) [Cocconi G., Morrison P., 1959] Проект «Озма»: τ Cet & Eri [Drake F.D., 1959, 1961] Возраст – 5.8 Гг Планета τ Cet e: М = 4,3 М, находится в зоне обитаемости (P = 168 d, a = 0.55 a.e.) [Tuomi M., Jones H.R.A., Jenkins J.S., Tinney C.G., et al., 2013, A & A, 551A, 79.] астероидный пояс (осколочный диск): r _внешн. = 55 а. е.; 5 планет a 115 a.e.; r = 3.65 пк (11.9 св. лет) Ближайшие к Солнцу планетные системы Объект SETI:

43 Объект SETI Система Gliese 581 Возраст – 7 11 Гг Обитаемая зона: 0,1-0,3 а.е. r = 6.54 пк ( 21 св. лет) Sp = М5V m V = m M = 0.18 M ʘ R = 0.38 R ʘ T ef = 3260 K 6 планет g: M, R, Т орб = 36.6 земных суток Звезда Планеты (суперземли) в зоне жизни: При наличии атмосферы и СО 2 : возможен парниковый эффект. d: 6 8 M, 2 R. Считается наиболее вероятным кандидатом пригодности её для жизни: Т = -12÷ -31 °C. Температуры: днем - 34 °С, ночью °С

44 Звездные скопления и ассоциации Динамически-связанные системы, время жизни которых определяется начальным числом звездно-суп звездной составляющей N 0 и их начальной средней пространственной плотностью (N 0 ) : Сверхассоциации: М ~ М, 600 пк (и более), возраст: t ~ 10 ÷ 100 Мг Зв. ассоциации: N 0 ~ 10 <10 2, ~ 10 <10 2 пк, t 1 Мг (OB-, T-, R-) Зв. скопления Рассеянные: N 0 ~ (max N 10 4 ), ~ пк, t ~ ÷ 5-10 Гг (> 80% t 100 Мг, max t 10 Гг) Шаровые: N = 3·10 4 5·10 6, пк ( 40 пк), t >10 Гг (N 0 ) = f(N 0, ) = f(M/(M S, )

45 Звездные скопления и ассоциации Шаровые: t >10 Гг Сверхассоциации: t ~ 10 ÷ 100 Мг Зв. ассоциации: t 1 Мг Зведные скопления Рассеянные: t 100 Мг Концентрируются Области звездообразования Гало MW Диск MW n Св_ас ~ n Зв_ас ~ 10 –2 10 –3 зв/пк 3 n Зв_ск ~ 10 –1 1 зв/пк 3 n Ш_ск ~ 1 10 зв/пк 3 n Окр_ ~ 10 –1 зв/пк 3 n Св_ас ~ n Зв_ас < n Окр_ < n Зв_ск < n Ш_ск МЗС

46 Галактики Наиболее грандиозные гравитационно-связанные звездные системы: М ~ 10 5 ÷10 13 М, Ø = 1÷250 кпк (max – до 2 Мпк), Основные составляющие N * зв. (по числу и массе): звезды, суп звезды, планеты, Все объекты участвуют межзвездный газ и пыль, в движении вокруг ц. масс темная материя ( до 90% ). Камертонная классификация галактик NGC 4650А E0-E7 – 20% S0-SB0 – 20% (1/4) – с кольцами (90 о ) S-SB – 55% (2/3 – SB) Irr – 5%

47 Спиральные галактики S и SB: М ~ 10 9 ÷10 11 М (max – М ), Ø = 1÷250 кпк, L Σ ~ 10 8 ÷10 10 L Состав: балдж (от англ. bulge – випуклость), диск (с рукавами, население I), гало (вероятно, население II). Содержан. газа, % > 25 V орб, км/с < 175 SBa SBb SBc SBd … Sa Sb Sc Sd E0 E7 R 1/2

48 Сейфертовские галактики спиральные галактики (1-2%) с активными ядрами. Яркие звездоподобные ядра меняют свой блеск, ионизируют окружающий газ, сгустки движ.. с V ~ км/с. Циркуль 2-а типа: Sy1 и Sy2. L X_Sy1 ~ 10 L X_Sy2 L ИК_Sy2 > L ИК_Sy1 L ИК_Sy2 – обусловлена в осн. тепловым и излуч. пыли, ИК-спектр Sy1 более плоский и ближе к спектру квазаров. Спиральные (активные) галактики

49 Эллиптические галактики М ~ 10 5 ÷10 13 М, Ø = 1÷205 кпк, L Σ ~ 10 5 ÷10 11 L Е0Е7: M max М, R 50–60 кпк (Ø max 1.8 Мпк (IC 1101) ) сD-галактики. Отсутствуют: звезды очень большой светимости газовая и пылевая материя, звездообразования (в настоящее время). Состав (население II): звезды (t < 5-7 Гг) Массивные Е- галактики (М М, М ВΣ –20 m.5) 3-х мерные эллипсоды, форму которых поддерживают хаотич. движен. звезд с σ Vвр 200 км/с. Небольшие Е- галактики (М –20 m.5) 2-х мерные эллипсоды (вращения), форму которых поддерживают V вр. Внутри возможно существует диск. М 87

50 Линзовидные галактики Галактика Веретено (NGC 5866) Состав (похож на спиральные галактики): балдж; могут иметь бары (SBO); диск (массивный, нет рукавов); почти нет газа (как у Е- галактик); состоят, в основном, из старых звёзд; низкое звездообразование; содержат массивную сфероидальную компоненту; выявлена корреляции М чд = М балдж. Свойства: Ø линз_г < Ø спир_г ; ступенчатый ход распределения яркости (из-за наличия диска, отлич. от Е- галактик); 1/4 имеют внешние полярные кольца ( 90 о ); обладают признаками как Е- так и S-, SB- галактик считаются промежуточным типом между ними. NGC 4650А SОSBO:

51 Неправильные галактики М М, Ø = 1÷10 кпк, L Σ 2·10 9 L, газ 2 ÷ 50%. 3-и подтипы (irregular англ.): 1) Irr I клочковатая структура. 2) Irr II аморфная форма. 3) dI (или dIrrs) карликовые. Irr : Irr II похожи на Е- галактики: цвет, плавная смена яркости к периферии, отсуствуют звезды-сверхгиганты, нет ярких газовых туманностей. Irr I граничный случай S-, SB- галактик: следы спиральной структуры наличие Sm, SВm, отсутствие (Im); осевое вращение. dI (или dIrrs ) < ~ 10 9 зв.: имеют аналоги галактик, принадлежащих камертонной классификации, голубые компактные галактики, ультаракомпактные карликовые галактики. IC 10

52 Диффузное вещество в звездных системах Космическая газопылевая среда Образования вокруг косм. тел Реликтовый газ Оболочки Диски Межпланетная среда Туманности Межзвездная среда Остаточные Первичные Поздние Темные Светлые Диффузная материя Облака Протопланетные Аккреционные Планетарные туманности От сверхновых

53 Межзвездная среда /диффузная материя и облака/ Диффузное вещество в зв. системах

54 Движение звездных систем Изучают Звездная кинематика. Звездная динамика. Базируется на определениях Расстояний. Пространственных движений. Кривых вращения. Исследования в звездной кинематике освобождены от эффектов, вызванных осевым вращением Земли; прецессией и нутацией; орбитальным вращением Земли вокруг Солнца; и т.п.

55 Методы определения годичных параллаксов Астрометрические Фотометрические Ван-Маанена Космологические Дина- мические Гео- метрические Бесселя Каптейна угловые по собственным движениям Шлесингера расстояния по инте- гральным величинам спектральные параллаксы цефеидные параллаксы по модулям расстояния параллаксы _ параллаксы и расстояния расстояния _______ фотометрические фрагментальные годичные апексные орбитальные Расстояния от до планет и звезд в годах жизни «скорохода» другие Определение расстояний до космических объектов

56 Пространственные движения и скорости Базой для определения пространственных движений и скоростей объектов является: 1) изменение их координат на небесной сфере за определенный промежуток времени; 2) скорость по лучу зрения V r ; 3) расстояние. V r определяются на основе эффекта Доплера-Физо, согласно которому длина волны смещенной линии λ о в спектре, движущегося источника по лучу зрения со скоростью V r, связана с той же линией λ 1, неподвижного источника относительно наблюдателя: Пространственная скорость объекта

57 Проблема вращения Галактики Решается путем анализа кривая вращения (V(R)), звездных систем, как функции их физических моделей 1. Масса звездной системы сосредоточена в ее центре Результат сравнения сил: центробежной и всемирного тяготения 2. Твердотельное вращение: V = ωR| ω = const R закон Гука 3. Стационарная система (не меняется в размерах со временем и подчиняется теореме о вириале): 2Т + Ω = 0 Среднеквадратическая V звезд в таких системах [Eddington A.S., 1916]:

58 Следствия V(R) кривая вращения, как функция физических моделей системы 1. Масса звездной системы сосредоточена в ее центре 2. Твердотельное вращение: V = ωR| ω = const R 3. Стационарная система /Определенные существенные для системы характеристики не меняются со временем/

59 Далее центральных областей галактик (признаки стационарной системы при V = const): Для центральных областей галактик (признаки твердотельного вращения): не выполняется кеплеровский з-н движения Наблюдаемые V(R) в галактиках и их следствия } темная материя

60 Методы определения кривых вращения звездных систем При исследовании V(R) Галактики, опираются на выбранные центроиды, для которых известны: галактические координаты l, b; расстояния до них r; кинематические характеристики (могут быть известны не все) – собственные движения известны (μ l, μ b ), – только лучевая скорость (для более удаленных ) V r. Основные методы определения параметров галактического вращения: Ботлингера, Оорта, Камма.

61 Общая структура Вселенной /космография/ Космические структуры (в которых находится человек): Местная звездная система окрестности Солнца, область А- кольца. Наша звездная система Галактика, объекты сферической составляющей. Местная группа галактик подгруппа Туманности Андромеды, галактики Периферии. Местное сверхскопление Местный Объем, скопления галактик в Деве. Гиперскопление Ланиакея и Местный войд Ячеистая Метагалактика.

62 Местная звездная система (Пояс Гулда) m V 1.3 M ʘ, R > 1.23 R ʘ, T ef > 6530 K, L/L ʘ > 2.5); III, II, I Все яркие звезды неба R ~ 8 кпк от центра MW между галактическими рукавами Стрельца и Персея. M – M Вращение (прямое) О-, В- звезд, вокруг центра масс МЗС, прослеживается до r ~ 1 кпк оценка R МЗС. V = 3±1 км/с и 6 км/с (max), характерный T вращ = 500 Мг Возраст – ~ 10 8 лет. Старая популяция 600 Мг, молодая – 60 Мг Число наблюдаемых зв. скоплен. – неск. сотен, ассоциаций – неск. десятков > 500 О-, В-, А- звезд, > звезд типа Т Тельца.

63 Галактика Диаметр – 30 кпк Масса – 2·10 11 М Общее число: звезд – (2-4)10 11 суп звезд – ~ планет – ~ R o 8 кпк V o 220 км/с P o 220 Мг SBbc- тип Сверхассоциации ( М ): известно – 40. ОВ- ассоциации: ожидается – 4000, известно (R GC < 1.5 кпк) – ~10 2. Шаровые звездные скопления: ожидается – 200, известно – 150. Рассеянные звездные скопления: ожидается – , известно (R GC < 2.5 кпк) – Газ – ~ М MW Пыль – ~ М MW Центр: Арочное скопление (самые массивные звезды Галактики) Черная дыра М чд 4·10 6 М, R Шв = 0.07 а.е., R ак.д = 45 а.е. 2-я черная дыра – ? М 2 чд 1500 М 2h × ΔR GC = 2 × (1.25-3) кпк Балдж = перемычка P балдж млн. лет

64 Наша звездная система Внешнее гало (корона): R GC = кпк Гало (молодое): R GC = 9-20 кпк Внутреннее (старое) гало: R GC < 9 кпк Диск: R GC = 15 кпк толстый: тонкий: 2h = кпк 2h = кпк Балдж: 2h × R GC = 2 × 3 кпк R o 8 кпк Периферия: R GC = кпк Диаметр – 500 кпк Масса – 1.2·10 12 М Число галактик – 15 (16?)

65 Наша звездная система Сателлиты Галактики и периферия НЗС 14 (15?) галактик-сателлитов с R GC – 13–260 кпк Концентрируются к 3-м внегалактическим сателлитарным поясам (ВГСП) Cir–Nor (90) ВГСП І: в пределах молодого гало ВГСП ІІ: Магелланов пояс ( 70 о ) ВГСП ІІI: r > 90 кпк ( 50 о )

66 Местная группа галактик Диаметр – ~ 1.5 Мпк Масса – 2.3·10 12 М Галактики: известно – 50 заподозрено – > 15 самые массивные – MW и M31 М НЗС М подгр-М31 Местный Объем

67 Эйнштейновский закон всемирного антитяготения (отталкивания) Ньютоновская сила тяготения Эйнштейновская сила отталкивания Физический вакуум Глинера (1965 г.): М МГГ = (1.29 ± 0.14) М [Karachentsev I.D.; Kashibadze O.G., 2006] Допускается возможность влияния темной энергии на скучиванье галактик в их распределении во Вселенной.

68 Подсистема Андромеды Туманность Андромеды, 18 сателлитов, 2 звездных потока. Диаметр – 600 кпк Масса – 1.2·10 12 М Состав: М 31: Sb- тип Гало звезды населения ІІ, Т = (6-13 ) Гг, цефеиды, 460 шаровых скоплений Диск – двухкомпонентный ОВ- ассоциации и комплексы (рукава R GC = 9-18 кпк), М газ М31 М газ МW (НІ, НІІ), Центр черная дыра – М 6·10 7 М = 15 М ч.д. MW

69 Пространственная структура галактик-сателлитов подгруппы Андромеды Все галактики: R GC М31 5 (М32) ÷ 280 (LGS 3, And VI) кпк Самые массивные (М33 и ІС 10) – R GC М31 = 225, 250 кпк Галактики М32, М110 и БМО, ММО Общие свойства: массы и размеры соизмеримы, признаки наличие спиральной структуры, действия приливных сил от центральных галактик. Различия: содержание газопылевой составляющей, темп современного звездообразования, тип (как следствие предыдущих отличий): БМО, ММО – иррегулярные, близкие, М32, М110 – компактные, удалённые. Концентрация сателлитов к плоскостям, наклоненным к экватору М31: 30 о – большинство галактик, 80 о – сфероидальные карликовые галактики.

70 Галактики Периферии 14 галактик (17 кандидатов): 1 спиральная, 3 эллиптические (карлики) 10 иррегулярных. R = кпк Взаимодействующие галактики NGC 3109 (Гидра) SB(s)m – тип R = 890 кпк PGC (Насос) dE3.5 – тип R = 1320 кпк Эллиптические галактики в Ките (dSph/E4) R = 755 кпк в Тукане (dE4) R = 980 кпк Иррегулярные галактики 7 из 10 – имеют перемычки (ІВ- тип) Галактика Барнарда в Стрельце (NGC 6822) – ближайшая к Солнцу и самая массивная. R = 500 кпк М = 1.5·10 9 М d- галактика в Стрельце (SagDIG) – самая удалённая: R = 1040 кпк Объекты 2-х типов звездообразования: содержат в 20 раз меньше металлов, чем у Солнца, молодые звезды с Т = 4-8 млрд. лет.

71 Окрестности Местной группы. Местное Сверхскопление (Девы) структура и астрофизические свойства; кинематика. Гиперскопление Ланиакея и Местный войд структура и состав; окрестности. Ячеистая структура Вселенной. За пределами Местной группы

72 Окрестности МГГ R 5 Мпк Скульптора (R = 2.8 Мпк), Маффея (R = 3.1 Мпк), М 81 (R = 3.7 Мпк), Гончих Псов (R = 4.0 Мпк), NGC 5128 (R = 4.3 Мпк). Составная часть Местного Объема: R GC 10 Мпк (известно > 630 галактик)

73 Местное сверхскопление 100 групп и скоплений галактик, N > галактик, М ~ М, D = 60 Мпк. 60% галактик сосредоточены в узком диске, D 50 Мпк, толщиной 3 Мпк. 98% всех галактик входит в 11 галактич. облака и занимают 5% объема МССГ – обособлены в пространстве. Центр МССГ r = 16 Мпк ближайшее скопление галактик в Деве : D = 5 Мпк n 500 галактик/Мпк 3 – на порядок выше, чем в группах галактик, N 200 галактик высокой и средней светимости (2/3 – спиральные). Ожидаемое полное число – 2000 галактик. Состоит из трёх групп, удаленных на 16, 21 и 23 Мпк. Дева А – центр МССГ: cD- галактика – М 87, r = 16 Мпк

74 Кинематика в Сверхскоплении Девы Центр МГ движется относительно МССГ со скоростью 300 км/с, а относительно микроволнового фона – 620 км/с. Составляющий вектор этих движений направлен на Большой Аттрактор, оказывающий гравитационное действие на МГГ и на МССГ км/с 220 Тензор постоянной Хаббла: на ядро МССГ – 81 км/(с Мпк), на его полярную ось – 48 км/(с Мпк), на к плоскости, образованной с этой ориентацией – 62 км/(с Мпк). Карта высокого пространственного распределения реликтового излучения и отклонений от изотропного распред. с Т = ± K («+» – красный)

75 Гиперскопление Ланиакея Ланиаке́я (по-гавайски «необъятные небеса») фактически, это гиперскопление галактик, в котором содержатся: Сверхскопление Девы; сверхскопление Гидры-Центавра; Великий Аттрактор. Ø 160 Мпк; N г ; М ~ М 10 2 М Св_Девы. Соседи: сверхскопление Персея-Рыб (принадлежит цепи Персей-Пегас в Комплексе сверхскоплений Рыб-Кита); Местный войд (англ. void пустота). Местный войд

76 Местный войд ближайшая гигантская область, практически свободная от галактик: состоит из 3-х отдельных секторов, разделённых мостами- тонкими нитями; расположен рядом с Местной группой галактик (МГГ) и примыкает к ней; удален от МГГ на расстоянии 23 Мпк; ограничен Местным Листом*, в котором находится МГГ. _____ * Галактическая нить, содержащей в себе МГГ. Ø МВ 45 Мпк

77 Общая структура Местного сверхскопления Метагалактика (видимая Вселення) ближе r 14 млрд. световых лет Карта ближайших сверхскоплений ближе r = 1 млрд. световых лет

78 Эволюция звездных систем Возникновение и эволюция галактик Спиральные галактики Эллиптические галактики Линзовидные галактики S SO E SB SBO

79 Эволюция звездных систем Возникновение и эволюция галактик Неправильные галактики (звездные потоки) NGC 1427A NGC 2363 Arp 261PGC Кольцо Единорога – 60 кпк «след» от приливной силы MW (2 мкм – обзор неба)

80 Эволюция звездных систем Возникновение звездных скоплений и ассоциаций Фрагментация межзвездной среды (молекулярных облаков) ОВ- сверхассоциация 30 Золотой Рыбы БМО М 35 и более старое NGC 2158 (внизу справа)

81 Образование планетных систем V.S. Safronov, Ruzmaikina, 1978; Т.В. Рузмайкина, 1981] Момент количества движения

82 Эволюция звездных систем Образование и эволюция планетных систем 10 4 лет; 10–10 4 а.е.; 10–300K лет; 1–1000 а.е.; 100–3000K лет; 1–100 а.е.; 100–3000K лет; 1–100 а.е.; 200–3000K 66 антен: 54 = 12 м, 12 = 7 м (λ = мм) ALMA (2014), Чили HL Taurus (2014) TW Hydrae (2016 )

83 Общий сценарий развития Вселенной Три основные стадии развития: 1) образование барионной материи и вступление в действие фундаментальных законов физики (t U 4000 K); 2) возникновение космических тел, звездных систем и формирование крупномасштабной структуры Вселенной (t U 2· ·10 10 лет); 3) будущее развитие космических объектов и материи Вселенной (t U > 1.4·10 10 лет)

84 Общий сценарий развития Вселенной Первый этап развития (t U < 2٠10 5 лет) : Действие гравитации, как отдельного взаимодействия (планковская эра, t U ~ t Pl ~ 10 –43 с и T ~ T Pl ~ K). Действие Большого объединения (стадия инфляции, t U ~ 10 –43 10 –35 с, T ~ K ). Окончательное разъединение всех взаимодействий (адронная эра, T ~ K ). Образование барионов (конец адронной эры, T ~ K ), после невозможности аннигиляции кварков с антикварками. Образование е– и е + (лептонная эра, Т < K ). Вселенная стала прозрачной для излучения (эра излучения, Т 3000 K ) плазма: 75% – Н, 25% – 4 Не.

85 Общий сценарий развития Вселенной Второй этап развития ( t U ~ 2٠10 5 лет наше время ) : Первые звезды (t U ~ 10 6 ? 10 7 ? 10 8 ? лет). Образование галактик ( t U ~ 1 5 млрд. лет ) и начало формирования их населений (в последующие ~ 1 2 млрд. лет). Второе (массовое) звездо- образование (t U ~ 4 млрд. лет). Сравнялись плотности вещества и Темной энергии (t U 7 млрд. лет). Возникновение Солнечной системы (t U 8 млрд. лет).

86 Общий сценарий развития Вселенной Третий этап развития (t U > 14 млрд. лет) будущее: MW+M31 станет cD- галактикой ( t U = лет ). Исчерпается весь галактический газ ( t U = лет ). Ядерные реакции в звездах исчерпаются ( t U = 3 ٠ лет ). Распад протонов ( t U ~ лет ). Распад планет (за t ~ лет ). Распад черных карликов (за t ~ лет ). Распад черных дыр образовавшихся из звезд Рор I и II – за t ~ лет, самых массивных (из звезд Рор III) – за t ~ лет, составляющих ядра галактик ( ~ 10 8 М ) – за t ~ лет. Сценарий может и другим !?

87 Спасибо за внимание !