Первоначально считалось, что эллиптические галактики содержат только Население II, а неправильные - только Население I. Однако выяснилось, что обычно галактики содержат смесь двух звездных населений в разных пропорциях. Детальный анализ населений возможен только для нескольких близких галактик, но измерения цвета и спектра далеких систем показывают, что различие их звездных населений может быть значительнее, чем думал Бааде.

Измерение расстояний до далеких галактик основано на абсолютной шкале расстояний до звезд нашей Галактики. Ее устанавливают несколькими методами. Наиболее фундаментальный - метод тригонометрических параллаксов, действующий до расстояний в 300 св. лет. Остальные методы косвенные и статистические; они основаны на изучении собственных движений, лучевых скоростей, блеска, цвета и спектра звезд. На их основе определяют абсолютные величины Новых и переменных типа RR Лиры и Цефея, которые становятся первичными индикаторами расстояния до ближайших галактик, где они видны. Шаровые скопления, ярчайшие звезды и эмиссионные туманности этих галактик становятся вторичными индикаторами и дают возможность определять расстояния до более далеких галактик. Наконец, в качестве третичных индикаторов используются диаметры и светимости самих галактик. В качестве меры расстояния астрономы обычно используют разность между видимой звездной величиной объекта m и его абсолютной звездной величиной M; эту величину (m - M) называют «видимым модулем расстояния». Чтобы узнать истинное расстояние, его необходимо исправить с учетом поглощения света межзвездной пылью. При этом ошибка обычно достигает 10-20%.

Внегалактическая шкала расстояний время от времени пересматривается, а значит, меняются и прочие параметры галактик, зависящие от расстояния.

Измерение поверхностной яркости галактики дает полную светимость ее звезд на единицу площади. Изменение поверхностной светимости с расстоянием от центра характеризует структуру галактики. Эллиптические системы, как наиболее правильные и симметричные, изучены подробнее других; в целом они описываются единым законом светимости.

Кроме непрерывного радиоизлучения, галактики испускают узкие спектральные линии, например на волне 21 см. Эта линия принадлежит межзвездному нейтральному водороду и излучается им, когда электрон в атоме самопроизвольно поворачивает свой спин относительно спина протона. Излучение водорода на волне 21 см было предсказано в 1944 Х.ван де Хюлстом (Лейденская обсерватория, Нидерланды) и обнаружено в 1951 от Млечного Пути, а вскоре и от других галактик. Это очень важная линия, поскольку других спектральных линий у нейтрального водорода нет. Долгие годы она вообще была единственной спектральной линией в радиодиапазоне, давая возможность измерять количество газа в галактике и его движение (по доплеровскому смещению). Оказалось, что в эллиптических галактиках почти нет межзвездного газа, в линзовидных его масса ок. 0,1% массы галактики, в спиралях ок. 1-2%, а в неправильных галактиках 5-10% и даже больше. Нашлось даже несколько галактик-«призраков», целиком состоящих из газа и невидимых в оптике.

Сближения галактик в группах приводят к их впечатляющему взаимодействию. Множество примеров такого рода обнаружили Ф.Цвикки, Х.Арп и Б.А.Воронцов-Вельяминов. Часто длинные «мосты» протягиваются между взаимодействующими галактиками, но нередко от них в разные стороны отходят «хвосты», указывая на наличие приливных эффектов. Иногда галактики соединяются внешними частями своих спиральных рукавов. Компьютерное моделирование показало, что большинство этих форм можно объяснить гравитационным взаимодействием галактик, подбирая их ориентацию и скорость сближения.

Особый редкий тип взаимодействия демонстрируют кольцевые галактики без ядра. В одних случаях это может быть результатом лобового столкновения двух галактик (А.Туумре, Р.Линдс), в других - столкновения галактики с невидимым межгалактическим облаком (К.Фриман, Ж. де Вокулер).

Галактики часто объединяются в облака эллиптической формы поперечником 10 млн. св. лет и более; ближайшее из них Местное облако. Известны также облака в Гончих Псах, Бол. Медведице, Льве, Журавле и др. Они, в отличие от скоплений, имеют малую концентрацию к центру и населены в основном спиральными и неправильными галактиками при небольшой доле линзовидных и эллиптических.

Более плотные и богатые объединения, содержащие сотни и тысячи галактик, называют скоплениями. Ближайшее из них в Деве на расстоянии 40 млн. св. лет; его видимый диаметр 12? соответствует линейному диаметру 8 млн. св. лет. В нем эллиптические и линзовидные галактики сильно концентрируются к центру, а спиральные и неправильные тяготеют к периферии. Еще дальше известны более богатые скопления, например, в Волосах Вероники на расстоянии ок. 200 млн. св. лет. Обычно это скопление называют просто Coma (от Coma Berenices - Волосы Вероники). В нем более 10 тыс. галактик, половина из которых сосредоточена в центральной области диаметром 1,5?, что соответствует 5 млн. св. лет, а остальные рассеяны в области диаметром более 15 млн. св. лет.

В богатых скоплениях типа Coma галактики сильно концентрируются к центру, как звезды в эллиптических галактиках. Массы скоплений определяют так же, как массы галактик: по дисперсии скоростей их членов, используя теорему вириала. В богатых скоплениях дисперсия скоростей галактик порядка 1000 км/с, а их массы 10¹⁴-10¹⁵ солнечных. Это заметно превышает суммарную массу галактик скопления, т.е. вновь приводит к парадоксу скрытой массы. Некоторая часть этой массы связана с горячим межгалактическим газом, заполняющим богатые скопления и проявляющим себя рентгеновским излучением. Возможно, какая-то часть массы связана с карликовыми галактиками и отдельными «межгалактическими» звездами. Но все это не решает парадокса скрытой массы: основной ее источник до сих пор не найден.

3. Понятие про Звезды, их обозначение

Звезды, горячие светящиеся небесные тела, подобные Солнцу. Звезды различаются по размеру, температуре и яркости. По многих параметрам Солнце - типичная звезда, хотя кажется гораздо ярче и больше всех остальных звезд, поскольку расположено намного ближе к Земле. Даже ближайшая звезда (Проксима Кентавра) в 272 000 раз дальше от Земли, чем Солнце, поэтому звезды кажутся нам светлыми точками на небе. Хотя звезды рассыпаны по всему небосводу, мы видим их только ночью, а днем на фоне яркого рассеянного в воздухе солнечного света они не видны.

Многие века звездное небо вдохновляло людей; это нашло отражение в литературе и религии. Некоторые боги отождествлялись с отдельными звездами, планетами и созвездиями. В давние времена все небесные светила, кроме Луны и Солнца, называли «звездами», а планеты - «блуждающими звездами». Перемещение блуждающих звезд относительно неподвижных вызывало интерес и благоговение. Поскольку люди считали себя центром мироздания, они думали, что перемещение светил как-то влияет на их судьбу. Это астрологическое поверье, не исчезнувшее до сих пор, стимулировало астрономические наблюдения, необходимые для составления астрологических прогнозов. Поскольку все планеты движутся приблизительно в одной плоскости, их наблюдаемые с Земли траектории проходят на небе вдоль узкой полосы, называемой Зодиаком. Поэтому расположенные вдоль Зодиака созвездия - Телец, Овен и др. - в прежние времена считались особенно важными.

Многие храмы были ориентированы по звездам. Скажем, Великие пирамиды в Гизе построены так, что узкий коридор в них направлен точно на полярную звезду, роль которой тогда выполняла ? Дракона. Мегалитическая постройка Стоунхендж на Солсберийской равнине в Англии сооружена в точном соответствии с сезонными изменениями положения Солнца и Луны.

В нашу эпоху звезды часто используют как яркие метки на небе для определения времени и для навигации. Поскольку Земля вращается, каждый наблюдатель замечает, как звезды поочередно пересекают воображаемую линию север-зенит-юг (небесный меридиан). Это явление применяют для отсчета звездного времени. За начало новых звездных суток на всей Земле принят момент пересечения определенной точкой небесной сферы меридиана Гринвича в Англии.

В настоящее время известно, что звезды - это гигантские природные генераторы энергии, с высокой эффективностью превращающие часть своего вещества в излучение. В последние десятилетия было окончательно установлено, как формируются звезды. Это происходит в тех областях пространства, где собирается достаточно большая масса межзвездного газа, который под действием собственного тяготения сжимается и разогревается до тех пор, пока температура не достигнет критического значения, необходимого для протекания ядерных реакций. Свойства образовавшейся звезды практически полностью определяются массой исходного газового облака.

В нашей Галактике более 100 млрд. звезд. На фотографиях неба, полученных крупными телескопами, видно такое множество звезд, что бессмысленно даже пытаться дать им всем имена или хотя бы сосчитать их. Около 0,01% всех звезд Галактики занесено в каталоги. Таким образом, подавляющее большинство звезд, наблюдаемых в крупные телескопы, пока не обозначено и не сосчитано.

Самые яркие звезды у каждого народа получили свои имена. Многие из ныне употребляющихся, например, Альдебаран, Алголь, Денеб, Ригель и др., имеют арабское происхождение; культура арабов послужила мостом через интеллектуальную пропасть, отделяющую падение Рима от эпохи Возрождения.

Дж.Флемстид (1646-1719), первый Королевский астроном Англии, ввел систему обозначения звезд, не связанную с их блеском. В каждом созвездии он обозначил звезды номерами в порядка увеличения их прямого восхождения, т.е. в том порядке, в котором они пересекают меридиан. Так, Арктур, он же ? Волопаса (? Bootes), обозначен как 16 Bootes.

Некоторые необычные звезды иногда называют именами астрономов, впервые описавших их уникальные свойства. Например, звезда Барнарда названа в честь американского астронома Э.Барнарда (1857-1923), а звезда Каптейна - в честь нидерландского астронома Я.Каптейна (1851-1922). На современных картах звездного неба обычно нанесены древние собственные имена ярких звезд и греческие буквы в системе обозначений Байера (его латинские буквы используют редко); остальные звезды обозначают согласно Флемстиду. Но не всегда на картах хватает места для этих обозначений, поэтому обозначения остальных звезд нужно искать в звездных каталогах.

Самый обширный звездный каталог Боннское обозрение (Bonner Durchmusterung, BD) составил немецкий астроном Ф.Аргеландер (1799-1875). В нем указаны положения 324 198 звезд от северного полюса до склонения ?2. Звезда, обозначенная, например, как BD +71226, является 1226-й в порядке прямого восхождения звездой в восьмом поясе северных склонений. Продолжение этого каталога (SBD) к югу до склонения ?23, содержащее 133 659 звезд, составил немецкий астроном Э.Шенфельд (1828-1891). Оставшуюся часть южного неба покрыли каталоги Кордовское обозрение и Капское фотографическое обозрение. Всего в этих каталогах более 1 млн. звезд приблизительно до 10 звездной величины.

Значительно больше звезд в каталоге Карта неба, содержащем положения нескольких миллионов звезд на 44 000 фотопластинок, полученных в обсерваториях всего мира. Современный большой каталог точных положений 258 997 звезд создан в Смитсоновской астрофизической обсерватории (SAO). Обширный каталог звездных спектров создан американским астрономом Э.Кэннон (1863-1941) и назван Каталогом Генри Дрэпера.

4. Расстояния до звезд, их светимость и спектры

Ближайшая к нам звезда - Солнце, до него ок. 150 млн. км. Ближайшая к Солнцу яркая звезда -Кентавра, которую можно увидеть только в Южном полушарии, до нее 42 000 млрд. км. Но еще чуть ближе к нам расположен ее невидимый глазом спутник, звезда Проксима («ближайшая») Кентавра. Всего лишь вдвое дальше расположен Сириус, ярчайшая звезда нашего неба.

Поскольку расстояния до звезд так велики, их неудобно измерять в километрах. Лучше использовать специальные единицы; например, в научно-популярной литературе часто используют «световой год», т.е. расстояние, которое луч света проходит со скоростью около 300 000 км/с за год; это ок. 9460 млрд. км. Расстояние до Проксимы 4,3 св. года, а до Сириуса ок. 8,7 св. года.

Впервые расстояния до звезд были независимо измерены в 1838 Ф.Бесселем в Германии (до звезды 61 Лебедя), Т.Хендерсоном на мысе Доброй Надежды (до Кентавра) и В.Струве в России (до Веги). Однако полутора веками ранее И.Ньютон сумел оценить порядок расстояния до звезд. Полагая, что Солнце - это рядовая звезда, он вычислил, что ее нужно удалить в 250 000 раз, чтобы Солнце выглядело как обычная звезда на небе. Так Ньютон ввел весьма универсальный метод определения расстояний в астрономии. Если каким-либо образом нам известна истинная светимость звезды, то нетрудно рассчитать, на каком расстоянии она будет иметь наблюдаемый блеск. Главное здесь - определить истинную светимость звезды. На практике для этого используют спектроскопию: в спектре звезды есть несколько индикаторов ее светимости

Полную мощность излучения звезды во всем диапазоне электромагнитного спектра называют истинной или болометрической «светимостью». Например, светимость Солнца 3,86?10²⁶ Вт. Чем больше масса нормальной звезды, тем выше ее светимость; она возрастает примерно как куб массы. Это соотношение масса - светимость сначала было найдено из наблюдений, а позже получило теоретическое обоснование.

Поток энергии, приходящий от звезды на Землю, называют «видимым блеском»; он зависит не только от истинной светимости звезды, но и от ее расстояния до Земли. Звезда низкой светимости, расположенная близко к Земле, может иметь больший блеск, чем звезда высокой светимости на большом расстоянии.

Изучение звездных спектров - это фундамент современной астрофизики. По спектру можно определить химический состав, температуру, давление и скорость движения газа в атмосфере звезды. По доплеровскому смещению линий измеряют скорость движения самой звезды, например, по орбите в двойной системе.

В спектрах большинства звезд видны линии поглощения, т.е. узкие разрывы в непрерывном распределении излучения. Их называют также фраунгоферовыми или абсорбционными линиями. Они образуются в спектре потому, что излучение горячих нижних слоев атмосферы звезды, проходя сквозь более холодные верхние слои, поглощается на некоторых длинах волн, характерных для определенных атомов и молекул.

Спектры поглощения звезд сильно различаются; однако интенсивность линий какого-либо химического элемента далеко не всегда отражает его истинное количество в атмосфере звезды: в значительно большей степени вид спектра зависит от температуры звездной поверхности. Например, атомы железа есть в атмосфере большинства звезд. Однако линии нейтрального железа отсутствуют в спектрах горячих звезд, поскольку все атомы железа там ионизованы. Водород - это главный компонент всех звезд. Но оптические линии водорода не видны в спектрах холодных звезд, где он недостаточно возбужден, и в спектрах очень горячих звезд, где он полностью ионизован. Зато в спектрах умеренно горячих звезд с температурой поверхности ок. 10 000 К самые мощные линии поглощения - это линии бальмеровской серии водорода, образующиеся при переходах атомов со второго энергетического уровня.

Давление газа в атмосфере звезды также имеет некоторое влияние на спектр. При одинаковой температуре линии ионизованных атомов сильнее в атмосферах с низким давлением, поскольку там эти атомы реже захватывают электроны и, следовательно, дольше живут. Давление атмосферы тесно связано с размером и массой, а значит и со светимостью звезды данного спектрального класса. Установив по спектру давление, можно вычислить светимость звезды и, сравнивая ее с видимым блеском, определить «модуль расстояния» (M ?m) и линейное расстояние до звезды. Этот очень полезный метод называют методом спектральных параллаксов.

Список использованной литературы

1. Бисноватый-Коган Г.С. Физические процессы теории звездной эволюции. М., 1989

2. Воронцов-Вельяминов Б.А. Внегалактическая астрономия. М., 1978

3. Каплан С.А. Физика звезд. М., 1977

4. Масевич А.Г., Тутуков А.В. Эволюция звезд: теория и наблюдения. М., 1988

5. Сурдин В.Г., Ламзин С.А. Протозвезды. Где, как и из чего формируются звезды. М., 1992

6. Тейлер Р. Строение и эволюция звезд. М., 1973

7. Тейлер Р.Дж. Галактики: строение и эволюция. М., 1981

8. Ходж П. Галактики. М., 1992

9. Шкловский И.С. Звезды. Их рождение, жизнь и смерть. М., 1984