5.5 Галактический год

В данной главе, посвященной космическим ритмам, мы могли убедиться, что суточный, месячный и годичный ритмы являются следствием движений Земли, Луны и Солнца. В этих движениях мы участвуем вместе с нашей планетой. Вращение Земли вокруг оси сообщает нам линейную скорость около 0,5 км/с (на географической широте 56^o ), обращение Земли вокруг Солнца происходит со средней скоростью 30 км/с.

В этом разделе мы рассмотрим еще один тип движения, в котором мы участвуем. Звезда Солнце вместе с семьей планет принимает участие в общем вращении нашей Галактики. Скорость движения Солнца (всей солнечной системы) по галактической орбите составляет примерно 250 км/с.

Период вращения Солнца в Галактике- галактический год- близок к 250 млн лет. За это время Солнце (и Земля вместе с ним) делает один полный оборот по орбите вокруг Центра Галактики. Орбита Солнца в Галактике близка к круговой, радиус орбиты составляет приблизительно 10 тысяч парсек (10 кпк).

Наша Галактика- гигантская звездная система, состоящая из сотни миллиардов звезд. Звезды Галактики образуют плоский диск с шарообразным утолщением в центре- балджем (от англ. bulge- выпуклость). Радиус диска около 30 килопарсек (кпк), радиус утолщения- 2 кпк. Вся эта красивая фигура, по виду напоминающая линзу, погружена в еще б\'ольшую звездную оболочку (рис.). Радиус этой оболочки, называемой г\'ало (от греч. halos- круг), не менее 20 кпк. Точками на рисунке показаны шаровые скопления.

Рис.50: Схема строения Галактики

Диск Галактики вращается с большой скоростью. Разумеется, это вращение не похоже на вращение сплошного диска, сделанного из цельного куска твердого материала. То есть это не твердотельное вращение, при котором угловая скорость- постоянная величина, а линейная скорость точки тем выше, чем дальше эта точка от центра диска. Галактика состоит из звезд и каждая звезда движется по собственной орбите в соответствии с законами гравитации.

Возьмем формулу третьего закона Кеплера в виде

(см. также (29)), где r- радиус орбиты звезды, T- период обращения. От радиуса можно перейти к длине окружности l=2r, а затем к скорости движения звезд по орбите v=l/T. Сделав в (33) такой переход, получим для скорости:

Что есть масса M в формуле (34)? Если рассматривать вращение планет в солнечной системе, где почти вся масса сосредоточена в центре (в Солнце), то M- масса Солнца, постоянная величина. Для планет формула (34) дает v  1/r: чем дальше планета от Солнца (чем больше r), тем медленнее она движется по своей орбите (меньше v).

В Галактике масса, действующая на звезду, распределена повсюду. Зависимость скорости звезды от r определяется характером распределения массы в Галактике. Для Солнца (как и для любой звезды, расположенной на большом расстоянии от центра Галактики) главное влияние на скорость обращения оказывает масса, находящаяся внутри сферы радиуса r, то есть масса всех звезд и вообще всего вещества, расположенного ближе к центру, чем Солнце (ближе к центру, чем данная звезда). В этом случае с известными поправками годится формула (34), где вместо постоянной величины M надо писать M(r), то есть массу как функцию расстояния от центра.

Заметим, что с удалением от центра Галактики масса, находящаяся внутри сферы радиуса r, возрастает. Можно вообще представить себе такое распределение плотности в Галактике, когда внутренняя масса M(r) возрастает с расстоянием линейно. Тогда, в соответствии с формулой (34), получится, что орбитальная скорость звезд не зависит от расстояния до центра. Кстати, во многих спиральных галактиках наблюдается именно такое поведение скорости вращения звезд- на больших расстояниях она практически не меняется с ростом r.

На рис. показана так называемая кривая вращения (зависимость линейной скорости вращения звезд от расстояния до центра) для нашей Галактики.

Рис.51: Кривая вращения: зависимость скорости вращения от расстояния до центра в нашей Галактике

Судя по тому, что на краю нашей Галактики (R=15-16 кпк) скорость вращения не только не убывает, но даже слегка возрастает, большое количество вещества должно находиться за пределами видимого диска. Мы снова встречаемся с проблемой невидимой (скрытой) массы. Эта невидимое нам вещество, по-видимому, образует вокруг нашей Галактики "корону ", то есть больш\'ую (еще больше, чем гало) оболочку. Плотность вещества в короне мала, много меньше, чем в галактическом диске. Однако объем короны очень велик, много больше, чем объем диска. Поэтому получается, что б\'ольшая часть массы Галактики находится именно в короне. По некоторым оценкам масса короны в 7- 10 раз больше, чем масса диска и гало.

Подобным образом распределена масса и у других галактик: меньшая часть- в видимой, светящейся форме, б\'ольшая- в слабосветящейся "невидимой " гигантской короне. Из чего состоит корона, почему она не видна? В действительности корону можно "увидеть ", но только не в оптическом диапазоне электромагнитных волн. Короны отчетливо видны на снимках, сделанных в инфракрасном диапазоне. А состоят они, по-видимому, из темных маломассивных звезд и объектов, так и не ставших звездами (вроде планет), из потухших звезд, из разреженного газа, пыли и так далее.

Открытие корон галактик, того факта, что б\'ольшая часть вещества находится в невидимой, "скрытой " форме, имеет огромное значение для определения средней плотности вещества во Вселенной, что в свою очередь отражается на наших представлениях о будущем Вселенной.

Вернемся к вращению Галактики. Итак, оно не твердотельное, а дифференциальное- угловая скорость вращения  не постоянна, а меняется на разных расстояниях от центра. Мы уже сталкивались с дифференциальным вращением: вращение Солнца (на разных гелиоцентрических широтах разный период вращения), вращение солнечной системы (периоды обращения планет вокруг Солнца разные, они подчиняются 3-му закону Кеплера).

Угловая скорость вращения Галактики  убывает с удалением от центра. На расстоянии 5 кпк она равна 45 километрам в секунду на килопарсек (км/с·кпк), на орбите Солнца (10 кпк от центра)- 25 км/с·кпк, а на "краю " Галактики (15 кпк)- 14 км/с·кпк.

Но есть в Галактике структура, которая вращается с постоянной угловой скоростью, то есть твердотельно. Это спиральный узор (спиральная структура) Галактики. Спиральные рукава- явление широко распространенное в мире галактик. Спиральных галактик очень много- около 70% от всех наблюдаемых галактик. Изучение спирального узора нашей Галактики затруднено из-за большой "запыленности " и "загазованности " галактического диска. Мы вместе с Солнцем находимся внутри этого диска, облака газа и пыли заслоняют от нас далекие звезды. Помогает радиоастрономия. Газ и пыль совершенно прозрачны для радиоволн. В Галактике есть объекты, которые "работают " как радиопередатчики. Они испускают радиосигнал, который можно принять с помощью радиотелескопа. Среди таких объектов- облака горячего газа (плазмы), окружающего горячие звезды. Это так называемые газовые туманности. С помощью радиотелескопов мы можем "видеть " газовые туманности во всей Галактике. На рис. показано распределение самых больших (гигантских) газовых туманностей в диске Галактики. Оно лучше всего соответствует модели спиральной структуры с двумя рукавами.

Рис.52: Распределение гигантских газовых туманностей (точки) в диске Галактики. Штриховыми линиями показаны те участки, где нет надежного определения расположения спиральных ветвей. Указаны положение Солнца (\odot ) и центр Галактики (+)

Что представляют из себя спиральные ветви в галактиках? Какова природа спиральной структуры? По-видимому, она связана с возможностью существования волн плотности спиральной формы во вращающихся плоских дисках. Волна создает уплотнение в распределении частиц, но не тащит их за собой, а переходит от одних частиц к другим, создавая уплотнение в новом месте из новых частиц. При этом под частицами понимают и молекулы межзвездного газа, и пылинки, и целые звезды. Уплотнение это небольшое. Если просто пересчитывать все звезды, не различая их по яркости, то окажется, что плотность звезд в рукавах и между рукавами почти одинаковая: концентрация звезд в рукаве увеличена лишь на 15- 20% . Почему же на вид спиральный рукав так сильно отличается от межрукавного пространства? Спиральный рукав - это место, где больше горячих ярких молодых звезд. Спиральные рукава выделяются потому, что в них сосредоточены самые яркие (отборные) звезды, а между рукавами таких звезд почти нет, там звезды низкой светимости. Поэтому, глядя на галактики со стороны, мы отчетливо видим в галактиках спиральный узор- он как бы подсвечивается яркими звездами.

Как яркие звезды оказались в спиральных рукавах? Спиральный рукав- это место, где рождаются звезды. Волна плотности- причина рождения звезд. Поясним это.

Главное свойство спирального узора- его вращение с постоянной угловой скоростью. Сам же диск, как мы видели, вращается дифференциально- угловая скорость убывает с удалением от центра Галактики. Газ вращается быстрее, чем спиральный узор, и поэтому возникает явление, которое называется галактической ударной волной: на внутренней кромке ветви образуется полоса повышенной плотности межзвездного газа, в которой могут рождаться звезды. Здесь рождаются звезды разных масс и разных светимостей: массивные (значит яркие) и маломассивные (слабые). Век массивных звезд недолог. Они "прожигают свою жизнь " очень быстро- за время жизни массивной звезды волна плотности не успевает далеко отойти от того места, где родилась звезда. Поэтому-то спиральные рукава так ярко видны в спиральных галактиках.

В нашей Галактике есть зона, где скорости вращения газа и спирального узора совпадают,- так называемая зона коротации (от англ. co-rotation- совместное вращение). Это узкое кольцо шириной примерно 0,3 кпк и радиусом около 10 кпк (рис.). Солнечная система находится, по-видимому, как раз в зоне коротации между рукавами Персея и Стрельца и при этом медлено приближается к рукаву Персея.

Рис.53: Схематическое изображение спиральных рукавов Галактики и современное положение движущейся по галактической орбите Солнечной системы

Коротационный круг- особое место в Галактике, своеобразный "пояс жизни ". Радиус коротации- то место в Галактике, где редкопроисходят вспышки сверхновых, губительные для жизни. Это создает благоприятные условия как для возникновения, так и для длительного существования жизни. Во-первых, именно здесь, вблизи радиуса коротации, дольше всего "выпариваются " гигантские молекулярные облака, из которых при прохождении волны плотности образуются звезды и планеты. Для образования в облаке сложных органических молекул, необходимых для возникновения жизни, по-видимому, требуется очень много времени- миллиарды лет. Такая возможность есть только вблизи радиуса коротации.

Во-вторых, как было показано И.С.Шкловским, близкая к Земле вспышка сверхновой может привести к полному исчезновению жизни. Между рукавами вероятность вспышек сверхновых мала, поэтому жизнь, возникшая на планете, может существовать и развиваться достаточно длительное время (миллиарды лет). Возраст Земли (около 4,6 млрд лет) меньше времени, которое Солнце вместе с планетами проводит между рукавами (8 млрд лет). Близкие вспышки сверхновых прекратились в то время, когда наша звезда покинула место своего рождения (рукав Стрельца). "Спокойная жизнь " на Земле началась тогда, когда она вышла в пространство между спиральными рукавами и, хочется надеяться, будет продолжаться по крайней мере еще (8-4,6)=3,4 млрд лет.

Мы рассмотрели еще один тип движения, в котором мы участвуем: вращение Солнца вместе с Землей вокруг центра нашей Галактики. Период вращения Солнца в Галактике близок к 250 млн лет. За это время Солнце (и Земля вместе с ним) делает один полный оборот по своей галактической орбите- проходит один галактический год.

Итак, один оборот Солнца- один галактический год- равен 250 млн земных лет. Сопоставим же жизнь нашей планеты, возраст биологической жизни на Земле с "ходом вечных галактических часов ":

возраст Земли (4.6 млрд лет)	-	18 галакт. лет,
жизнь на Земле (3.6 млрд лет)	-	14 галакт. лет,
млекопитающие (250 млн лет)	-	1 галакт. год,
первый человек (3 млн лет)	-	5 галакт. суток,
жизнь человека (100 лет)	-	10 галакт. секунд.

"Что наша жизнь !? "