Разработка урока по астрономии на тему: "Наша Галактика"

Тема: Наша Галактика

Цель: Рассмотреть Галактики. Млечный путь. Состав Галактики: звезды, скопления и их виды, туманности и их виды, лучи, поля, газ и пыль. Строение и вращение Галактики. Движение звезд и Солнца. Радиоизлучение Галактики и эволюция материи.

Задачи:
 1. Обучающая: Формирование представления о галактиках как одной из основных типов космических систем на примере рассмотрения физической природы и основных характеристик нашей Галактики. Ввести понятия: Млечный Путь, наша Галактика (ее ядро, спиральные рукава, состав), звездные скопления, туманности, облака, о межзвездной среде, ее газовой и пылевой составляющих и о космических лучах и т.д.. Дать представление о взаимосвязи эволюции космической среды в Галактике с эволюцией звезд.
 2. Воспитывающая: Формирование научного мировоззрения учащихся:
- в ходе знакомства с историей изучения и природой Галактики и ее основными физическими характеристиками, строением и составом;
- на основе раскрытия философских положений о материальном единстве и познаваемости мира при изложении астрономического материала о природе Галактики.
Политехническое образование и трудовое воспитание при повторении и углублении знаний о методах и инструментах, применяемых для изучения Галактики (спектральный анализ, радиоастрономия (радиотелескопы), ИК – астрономия и т.д.).
 3. Развивающая: Главное, что должно быть усвоено на уроке, – это то, что не вера и религия, а сила человеческого разума и мощь научных методов позволили открыть нашу и другие галактики. Полезно подчеркнуть, что подобно невидимым микрообъектам, которые были открыты физикой элементарных частиц (мир атомов, многообразие элементарных частиц) и биологией (мир мельчайших организмов, исследования на клеточном и молекулярном уровнях), внегалактическая астрономия открыла мегамир (мир галактик и их скоплений), недоступный непосредственному наблюдению.

Знать: 
1-й уровень (стандарт) – понятие Галактики, ее состав и строение.
2-й уровень - понятие Галактики, ее состав и строение. Радиоизлучение и вращение Галактики. Эволюционный круговорот в Галактике.
Уметь: 

1-й уровень (стандарт) - назвать составные части Галактики и показать ее строение.
2-й уровень - назвать составные части Галактики и показать ее строение, проводить простые расчеты, связанные с подсчетом молекул (атомов) и звезд. Анализировать и систематизировать учебный материал, использовать обобщенный план для изучения космических объектов, делать выводы.

Оборудование: Таблицы: "Радиоастрономия", "Звездные скопления, туманности, Галактика", "Млечный Путь", "Галактики", карта звездного неба, К/ф «Астрономия и мировоззрение», видеофильм «Астрономия», часть 2, «Наша Галактика», д/ф «Звезды и межзвездная среда». Диапозитивы, фотографии, схемы и рисунки спиральных галактик, подобных нашей Галактике; Млечного Пути, рассеянных и шаровых скоплений; строения нашей Галактики. CD- "Red Shift 5.1" (демонстрация фотографий), или астрономических объектов из мультимедийного диска «Мультимедиа библиотека по астрономии», коллекция ЦОР

Ход урока:

1. Повторение материала

Все Тест №4

2. Новый материал

1. Млечный Путь
Млечный Путь - Полоса туманного света, опоясывающая небо, которая образуется светом огромного количества звезд нашей Галактики. 
    В мифах и легендах многих народов мира его называли Дорогой Богов, таинственным Звездным Мостом, ведущим в райские кущи, волшебной Небесной Рекой, наполненной божественным молоком. Полагают, что именно он имелся в виду, когда старинные русские сказки говорили о молочной речке с кисельными берегами. А жители древней Эллады звали его Galaxias kuklos, что означает «молочный круг». Отсюда и происходит привычное сегодня слово Галактика. Название «Галактика» (то же что и «Млечный Путь») происходит от греческого Γαλαξ?ας, производного от слова γ?λα — молоко. Согласно древнегреческой легенде, Зевс решил сделать своего сына от смертной женщины Геракла бессмертным, и для этого подложил его спящей жене Гере, чтобы Геракл выпил божественного молока. Гера, проснувшись, увидела, что кормит не своего ребёнка, и оттолкнула его от себя. Брызнувшая из груди богини струя молока превратилась в Млечный Путь.
   Млечный Путь — одна из многочисленных галактик Вселенной. Является спиральной галактикой с перемычкой типа SBbc поклассификации Хаббла, и вместе с галактикой Андромеды (M31) и галактикой Треугольника (М33), а также несколькими меньшими галактиками-спутниками образует Местную группу, которая, в свою очередь, входит в Сверхскопление Девы.
    Видимая полоса представляет собой рассматриваемый "изнутри" диск Галактики. Солнце в Галактике располагается ближе к краю, на расстоянии двух третей расстояния от центра галактического диска. Поэтому Млечный Путь кажется наиболее ярким в направлении балджа вокруг галактического центра, который лежит в созвездии Стрельца. Облака пыли затеняющей свет звезд, придавая Млечному Пути пятнистый вид.
    В северном полушарии Млечный Путь пересекает созвездия Орла, Стрелы, Лисички, Лебедя, Цефея, Кассиопеи, Персея,Возничего, Тельца и Близнецов; в южном — Единорога, Кормы, Парусов, Южного Креста, Циркуля, Южного Треугольника, Скорпионаи Стрельца. В Стрельце находится галактический центр.
   Предположение, что Млечный Путь скопище слабо светящих звезд, впервые высказал Демокрит (460-370, Др.Греция). Доказал  это в декабре 1609г Галилео Галилей (1564-1642, Италия), направив свой 32-х кратный телескоп на небо. В 2004 году группа астрономов, работающих на телескопе  VLT в Чили, пришла к заключению, что наша Галактика имеет возраст 13 миллиардов 700 миллионов лет, плюс-минус 800 миллионов лет.

2. Состав Галактики (греч. молочный) - огромная звездная система сплюснутой формы. Галактика является гравитационно-связанной космической системой: силы тяготения играют решающую роль в ее существовании и наряду с силами инерции и силами электромагнитной природы определяют структуру и основные свойства Галактики. Наша Галактика - спиральная система массой 3^.10¹² М_, диаметром порядка 100000 св.лет и светимостью 2-4^.10¹⁰ L_. Галактика состоит из 200-350 миллиардов звезд и множества других космических объектов: более 6000 галактических молекулярных облаков, содержащих в себе до 50% межзвездного газа, туманностей, планетных тел и их систем, нейтронных звезд, белых и коричневых карликов, черных дыр, космической пыли и газа. Диск Галактики пронизан крупномасштабным магнитным полем, удерживающим частицы космических лучей и заставляющим их двигаться вдоль магнитных линий по винтовым траекториям. 85-95% видимой массы Галактики сосредоточено в звездах, 5-15% - в межзвездном диффузном газе. Массовая доля тяжелых элементов в химическом составе Галактики составляет 2%. Возраст Галактики 13,7 ± 0,8 млрд. лет. Большая часть звезд Галактики образовалась свыше 9 млрд. лет назад.
  1. Звезды - в Галактике до 350 млдр. звезд. Самые многочисленные - карлики. Кроме одиночных и их спутников (планет) около 70% двойных и кратных звезд. Телескопическим наблюдениям доступно лишь 10⁹ звезд - до 1% всех звезд Галактики. На фото, полученном в мае 2002г  американскими астрономами, работающими на Гавайских островах на северном телескопе "Gemini" сфотографирована двойная звезда, в которой оба светила вращаются вокруг единого центра масс. Звезды удалены друг от друга всего на 3 астрономические единицы.  Один из объектов звездной системы - небольшая звезда, а второй - белый карлик. 
    Интересно, что космический телескоп Сhandra в 2005 году разглядела пару из белых карликов, обращающихся один вокруг другого всего за 321 секунду. И период обращения, по словам ученых, быстро сокращается. Сейчас расстояние между звездами системы J0806 всего 80 тыс. км, но в будущем они должны слиться. Этот объект может оказаться одним из самых мощных источников гравитационных волн в нашей Галактике, которые, возможно, ученые сумеют обнаружить в будущем. 
    Возраст старейших обнаруженных в Галактике звезд составляет 13,2 млрд лет.
   2. Звёздное скопление - группы звезд связанных силой тяготения. В будущем скопление стареет и разрушается под действием внутренних и внешних сил (рассеянное разрушается быстрее). Открыл скопления Вильям Гершель (1738-1822, Англия) с 1775г по 1790г (более 250 и составил три каталога).
   а)Рассеянное - содержат обычно от 50 до 2000 массивных больших звезд , распределенных в области размером в несколько световых лет (от 1,5 до 20пк). Члены такого скопления находятся на значительно большем удалении друг от друга, чем в шаровых скоплениях. (в среднем 1зв/пк³, в центре до 80зв/пк³).  Их массы от 10 до сотни масс Солнца, типичный возраст около 10 млн.лет. Рассеянные скопления состоят из относительно плотного ядра и более разреженной короны, содержащей, однако, сравнимое с ядром число звезд. В среднем радиус ядра ≈3 пк, радиус короны в 2-10 раз больше. Известно около 1200 рассеянных скоплений.
    Эти скопления относительно молоды (звезды 1 типа, богатые металлами), обычно содержат много горячих и очень ярких звезд, имеют возраст максимум до 3 млрд.лет. Они расположены в диске Галактики и поэтому на небе лежат в пределах Млечного Пути. Они движутся почти по круговым орбитам со скоростью 150-200 км/с. Среди общеизвестных рассеянных скоплений выделяются Плеяды, Гиады, "Шкатулка драгоценностей" и другие. Молодые звезды классов О, В, А возрастом 0,1-3 млрд. лет в рассеянных скоплениях относятся к новому III поколению звезд. Они содержат около 3-4% тяжелых элементов.
     Рассеянное звёздное скопление
   б)Шаровое -Плотное скопление сотен тысяч или даже миллионов звезд (в основном красные гиганты и субгиганты), форма которого близка к сферической. Самое яркое шаровое скопление в небе - Омега Центавра (ω Cen) диаметром 620 световых лет (диаметры обычно от 15 до 600 св.лет). Это одно из самых старых известных шаровых скоплений, возраст которого, как полагают, достигает 13 млрд. лет. Некоторые самые старые звезды нашей Галактики также содержатся в шаровых скоплениях. Шаровые скопления распределены внутри сферического гало вокруг Галактики и движутся по очень вытянутым эллиптическим орбитам вокруг центра Галактики со скоростями более 50 км/с. Известно более 170 таких скоплений. Концентрация звезд в центральной части - несколько тысяч и даже десятков тысяч в 1 пк³ (в окрестностях Солнца пространственная концентрация звезд составляет всего лишь 0,13 звезды в 1 пк³).  Массы скоплений составляют 10⁴-10⁶ М_ . В скоплениях встречаются переменные звезды различных типов, наиболее многочисленны типа RR Лиры, встречаются также долгопериодические цефеиды сферической составляющей Галактики (типа W Девы), звезды типа Миры Кита и др.
     Звезды в шаровых скоплениях имеют низкое содержание элементов тяжелее гелия. Это согласуется с предположением о том, что они сформировались из первоначального вещества Галактики до того, как межзвездная среда обогатилась элементами, образующимися только внутри звезд. Шаровое скопление М13
     Шаровые скопления обнаружены и в других галактиках. Так в М87 (соз. Девы) открыто более 20000, в БМО около 5000 (но истинно старых только 10) и т.д. 
     Шаровое звёздное скопление
   в) Звёздная ассоциация - разреженная группа молодых звезд, обычно с числом звезд от десятка до сотни. Открыты в 1947г астрофизики Бениамин Егишевич МАРКАРЯН (1913-1985, СССР) иВиктор Амазаспович АМБАРЦУМЯН (1908-1996, СССР) в Бюраканской обсерватории. Обнаружены вдоль спиральных рукавов Галактики; всего их известно около 70. Звезды не очень связаны силами взаимной гравитации, а различие их скоростей приводит к тому, что за несколько миллионов лет (10-20) ассоциации рассеиваются в пространстве. Ассоциации всегда обнаруживаются вместе с межзвездным веществом, из которого, как можно предполагать, они образовались. Рис. Распределение ОВ-ассоциаций вдоль Млечного Пути. Нанесена сетка галактических координат. Отсутствие ассоциаций между долготами 30° и 60° связано с тем, что в этом направлении мы видим промежуток между спиральными рукавами.
Различают следующие типы звёздных ассоциаций:

• OB-ассоциации, содержащие в основном массивный звёзды спектральных классов O и B

• Т-ассоциации, содержащие в основном маломассивные переменные звёзды типа Т Тельца

• R-ассоциации (от R — reflection), в которых звёзды спектральных классов O — A2 окружены отражательными газопылевыми туманностями.

  3. Межзвездный среда - диффузное вещество в пространстве внутри галактики между отдельными звездами. В нашей Галактике масса вещества в межзвездной среде составляет, по некоторым оценкам, по крайней мере одну десятую от массы звезд.  Концентрация вещества межзвездной среды весьма неравномерна. Она резко возрастает в плоскости вращения Галактики и в слое толщиной 500 св. лет диаметром 100000 св. лет составляет 10^-21 кг/м³. Облака поглощающей звездный свет темной, плотной пылевой материи видны на фоне Млечного пути невооруженным глазом в созвездиях Лебедя, Змееносца, Щита, Стрельца. Наибольшую плотность она приобретает в направлении ядра Галактики.  Турбулентная межзвездная плазма сконцентрирована в облаках, занимающих около 20% межзвездной среды. Вне спиральных рукавов редкие плазменные облака размерами менее 26 пк и плотностью электронов 0,1-0,3 частиц/см³ обнаруживаются на расстояниях до ±900 кпк от плоскости Галактики. Облака в спиральных рукавах (± 200 пк от плоскости Галактики) имеют размеры до 50 пк, электронную плотность 0,2-1,0 частиц/см³. В зонах звездообразования в плоскости Галактики электронная плотность облаков размерами 10-50 пк достигает 1-10 частиц/см³. Разреженный нейтральный газ вдали от звезд прозрачен для оптического излучения. Изучению распределения и характеристик газа в межзвездной среде и ГМО способствует радиоизлучение молекулярного водорода (λ = 0,21 м) и гидроксила ОН (λ= 0,18 м). На рисунке показано распределение плотности нейтрального водорода в плоскости Галактики: А – ГМО в ядре; Б - ГМО в "молекулярном кольце" Галактики.
     Между звездами и межзвездной средой происходит непрерывное взаимодействие, которое приводит к возникновению целого ряда разнообразных компонентов: темных облаков газа и пыли, областей ионизированного водорода и нейтрального водорода, молекулярных облаков, глобул, а также очень горячего разреженного газа и высокоэнергичных частицкосмических лучей. 
а) Туманности (Туманность) - облако межзвездного газа и пыли. Этот термин раньше использовался для объектов, о которых теперь известно, что они представляют собой галактики. Например, большую "туманность Андромеды" теперь правильнее называть галактикой Андромеды. Плотность в туманностях очень мала и составляет порядка 10^-18 - 10^-20 кг/м³.
 Туманность Ориона, M42 и М43 - лежащая на расстоянии в 1500 световых лет - самая близкая к нам яркая туманность, которая может наблюдаться невооруженным глазом. Она была первой замеченной в 1916г и первой сфотографированной в 1882г. Внутренние области излучают в основном в зеленом свете ионизированного кислорода, что вместе с красным излучением водорода придает центру туманности желтоватый цвет. Энергию для этого эффектного зрелища дает маленькое скопление звезд Трапеция, лежащее в самой яркой части туманности и видимое в бинокль.
   Эмиссионная туманность светится в присутствии ультрафиолетового излучения;Отражательная туманность отражает свет звезд. Поглощающая туманность (Тёмные туманности) представляет собой темное образование и обычно видна лишь силуэтом на фоне светящейся туманности или на ярком звездном фоне. Список тёмных туманностей
    Среди других объектов, состоящих из светящегося газа и также называемых туманностями, выделяются Планетарные туманностии Остаток сверхновой. В современных Диффузные туманности довольно много пыли, различных газов, тяжелых химических элементов и сложных молекулярных соединений. 
    Изображения:Туманности
 Тройная туманность  Туманность Гомункулус   Туманность Орёл    Туманность Песочные часы.
б) Молекулярные облака - облако межзвездного вещества, в котором газ имеет по преимуществу молекулярную форму -области звездообразования. Существуют молекулярные облака двух различных типов - малые молекулярные облака и гигантские молекулярные облака (ГМО). Облака обоих типов в пределах Млечного Пути можно найти вблизи галактической плоскости. Малые облака имеют обычно несколько световых лет в диаметре, плотность порядка 1000-10000 молекул в кубическом сантиметре и температуру около 10-20 K. В таких облаках встречаются и более холодные сконденсированные "ядра", где плотность в десять или сто раз больше. Малые облака содержат главным образом молекулярный водород (H₂). Не получая энергии излучения звезд, они остаются очень холодными. ГМО масса может достигать миллиона масс Солнца и 60пк в диаметре. Плотность их в сотни раз больше плотности облаков атомарного водорода, а температура всего 10К. Содержание пыли в них небольшое, но именно это делает их непрозрачными. На расстоянии от 4 до 8 тысяч парсек от галактического центра располагается "молекулярное кольцо" Галактики - скопление ГМО массой до 3^.10⁹ М_. В туманности Ориона, например, ГМО лежит позади оптически видимой туманности. Другой пример связан с туманностью "Омега" (M17). ГМО, содержащее от трех до пяти миллионов солнечных масс вещества, расположено вблизи галактического центра, перед радиоисточником Стрелец B2. Оно содержит многие из известных типов межзвездных молекул. Предполагают, что в Галактике существует более 6000 ГМО.
в) Межзвездная пыль - маленькие частицы в межзвездной среде. Частицы межзвездной пыли (размером 0,005 - 1 мкм) в межзвездной среде обычно смешаны с газом. Составляя меньше 1% массы межзвездной среды, пыль поглощает гораздо больше света и генерирует гораздо больше инфракрасного излучения, чем газ.  Свет звезд, рассеиваемый частицами пыли, создает отражающую туманность.
   Большая часть пыли, как полагают, порождается при оттоке вещества от холодных красных гигантов. По мере того, как с увеличением расстояния от звезды газ охлаждается, происходит конденсация твердых веществ. Обнаруженное у таких звезд инфракрасное излучение показывает, что они и в самом деле окружены оболочками пыли. Вещество может конденсироваться в зерна также внутри молекулярных облаков.
  г) Ионизированный водород - водородный газ, в котором электроны находятся отдельно от протонов.
Водородные облака в межзвездном пространстве ионизируются в значительной степени из-за поглощения ультрафиолетовых фотонов, которые имеют достаточно энергии, чтобы оторвать электроны от атомов. Ионизированный водород - главная составляющая областей H II (или H+), горячих облаков, которые имеют приблизительно сферическую форму размером порядка 600 световых лет. Ионизация возникает из-за интенсивного ультрафиолетового излучения молодых О - и В-звезд, находящихся внутри таких облаков.  Одна из ближайших областей H II - гигантская Туманность Ориона.
Ионизированный водород присутствует также в остатках сверхновых и оболочках планетарных туманностей.
д) Нейтральный водород ( H I или H⁰) - неионизированный атомарный водородный газ, представляющий собой важный компонент межзвездной среды. Возможно, он составляет около половины ее массы, хотя плотность его очень низка (в среднем около 50 атомов в кубическом сантиметре).
  Температура нейтрального водорода лежит между 25 и 250 K, т.е. газ слишком холоден, чтобы излучать в видимом диапазоне. Однако измерение радиоизлучения на длине волны 21 см позволило картировать распределение нейтрального водорода в спиральных рукавах нашей собственной Галактики и других близлежащих галактик.
е) Глобулы - маленькое почти сферическое облако темного непрозрачного газа и пыли, которое обнаруживается на более ярком фоне, типа звездных облаков или яркой туманности. Предполагают, что глобулы представляют раннюю стадию процесса звездообразования. Имя голландско-американского астронома Барта Бока (1906-1983) связано с маленькими глобулами, известными как глобулы Бока, которые могут иметь в поперечнике только несколько тысяч астрономических единиц.
ж) Космические лучи - высокоэнергичные элементарные частицы (с энергией до 10²¹ эВ: протоны -91,7%, релятивистские электроны -0,92%, ядра атомов гелия -6,6% и более тяжелых химических элементов-0,72%), движущиеся сквозь Вселенную фактически со скоростью света. Они были открыты Виктором Францевичем ГЕСС (1883- 1964 , Австрия) 7 августа 1912г во время полета на воздушном шаре.  Космические лучи с более низкой энергией генерируются внутри Галактики взрывами сверхновых, остатками сверхновых и пульсарами. Несмотря на низкую пространственную плотность космических лучей (у Земли – 1 частица/см³× с), плотность их энергии сравнима с плотностью энергии суммарного электромагнитного излучения звезд, энергии теплового движения межзвездного газа и магнитного поля Галактики. Основным источником космических лучей являются вспышки Сверхновых.
з) Магнитное  и гравитационное поле - поля пронизывающее Галактику. Общее магнитное поле Галактики обладает индукцией около 10^-10 Тл. Силовые линии в основном параллельны галактической плоскости и изгибаются вдоль ее спиральных рукавов. Взаимодействуя с заряженными частицами космических лучей, магнитное поле Галактики искривляет траектории их движения вдоль силовых линий и тормозит релятивистские электроны, порождая нетепловое (синхротронное) излучение радиоволн с длиной волны более 1 м. В галактических окрестностях Солнца силовые линии поля вытянуты в направлении l = 90-100^o. Это близко к направлению вдоль спирального рукава Ориона. Напряжённость поля ≈1-3 мкЭ. Наряду с регулярным (крупномасштабным) компонентом магнитного поля обнаружены его флуктуации с масштабом ~ 100-200 пк и с амплитудой порядка основного поля. Более сильные поля (~ несколько десятков мкЭ) связаны с плотными облаками газа. Кроме того, в галактической окрестности Солнца известны сравнительно большие области регулярного поля, откуда идёт усиленное синхротронное излучение. Эти области (т. н. шпуры) дугообразно выступают над плоскостью галактического диска и являются, по-видимому, старыми остатками вспышек сверхновых звёзд.

3. Строение Галактики
    Первую модель Галактики в 1785г предложил В. Гершель, исходя из подсчета количества звезд в 1083 площадках одинакового углового размера, на которые он поделил звездное небо. По Гершелю Галактика неправильный диск поперечником 5800 и толщиной 1100 св.лет. Доказал, что Млечный Путь с Солнцем обособленная звездная система, хотя окончательно наличие галактик установил Эдвин Поуэлл ХАББЛ (1889-1953, США) в 1923г. Сегодняшнее строение Галактики представляется следующим образом. 
1 - Керн 
2 - Ядро Галактики
3 - Балдж ("вздутие"): сферическое население центра Галактики
4 - Бар – галактическая "перемычка".
5 - Молодая плоская подсистема (звезды классов О, В, ассоциации)
6 - Старая плоская подсистема (звезды класса А)
7 - Диск Галактики (звезды главной последовательности, Новые, красные гиганты, планетарные туманности)
8 - Промежуточная сферическая составляющая (старые звезды, долгопериодические переменные)
9 - Спиральные рукава (диффузные газопылевые туманности, молодые звезды классов О, В, А, F)
10 - Зоны концентрации ГМО вблизи ядра (10а) и в "молекулярном кольце" (10в)
11 - Древнейшая сферическая подсистема (гало) (шаровые скопления, короткопериодические цефеиды, субкарлики)
12 - Шаровые скопления
13 - Солнечная система
14 - Газовая корона Галактики.

    Ядро Галактики (Балдж), составляющее около 8 тысяч парсек в поперечнике, наблюдается в созвездии Стрельца (a = 17^h38^m, d = 30^о), занимая часть созвездий Щита, Скорпиона и  Змееносца. Ядро полностью скрыто за мощными темными газопылевыми облаками (ГМО) общей массой 3× 10⁸ М_ в 700 пк от центра Галактики, поглощающими видимое, но пропускающими радио- и инфракрасное излучение. В их отсутствие ядро Галактики было бы самым ярким после Солнца и Луны небесным светилом. В центре ядра размером порядка 10 пк, наблюдается сгущение - керн -околоядерный газовый диск. Всего в 400 св. годах от центра, в недрах газопылевой туманности   массой 10⁵ М_ скрывается черная дыра Стрелец А* массой около 4,6× 10⁶М_. В  области размерами около 1 кпк и массой 5×10⁶ М_, вероятно, находится очень плотное скопление голубых сверхгигантов (до 50000 звезд). Так в 2003г обнаружена группа из пяти молодых звезд находится на расстоянии всего 0.26 световых лет. Ее нашлаДжессика Лу из Калифорнийского университета с помощью телескопа Keck I. Предположительно, звездам "всего" около 10 миллионов лет. В начале 2005 г обнаружена вторая группа молодых звезд в непосредственной близости возле гигантской черной дыры в центре нашей Галактики. Ядро нашей Галактики в 1948-м году впервые удалось сфотографировать в тепловых (инфракрасных) лучах советским астрономам В.Б.Никонову, В.И.Красовскому и А.А.Калиняку в Крымской обсерватории (Справо на фотографии КА Спитцер центр в инфракрасных лучах).
     Диск - содержит: галактические молекулярные облака "молекулярного кольца", звезды главной последовательности, красные гиганты и сверхгиганты, туманности, рассеянные звездные скопления, межзвездная среда, космические лучи. Общая масса балджа в 20 миллиардов раз превышает массу Солнца. Диск  достигает в поперечнике почти 100 тысяч световых лет, а его толщина колеблется от трехсот до трех тысяч световых лет. На долю тонкого диска приходится всего пять процентов галактической массы, зато он излучает до 90 процентов света, ведь в основном здесь находятся молодые звезды. Здесь также много газопылевых облаков, где еще миллиарды лет будут рождаться новые звезды.
    Спиральная ветвь - диффузные газопылевые туманности, звездные ассоциации, молодые звезды классов О, В, А, F, межзвездная среда, космические лучи.
Наша Галактика имеет перемычку – бар, из концов которого в 4 тысячах парсек от центра Галактики начинают закручиваться спиральные рукава. Солнечная системанаходится на расстоянии 8,5 тысяч парсек от галактического центра, вблизи плоскости Галактики (смещение к Северному полюсу Галактики составляет всего 10 парсек), на внутреннем краю рукава, носящего название рукав Ориона. Такое расположение не даёт возможности наблюдать форму рукавов визуально. Новые данные по наблюдениям молекулярного газа (СО) говорят о том, что у нашей Галактики есть два рукава, начинающиеся у бара во внутренней части Галактики. Кроме того, во внутренней части есть ещё пара рукавов. Затем эти рукава переходят в четырёхрукавную структуру, наблюдающуюся в линии нейтрального водорода во внешних частях Галактики. Период обращения спиральной структуры 50 млн.лет, а перемычки 15-18 млн.лет.
    Сферическая составляющая - Гало - редконаселенная область, почти сферической формы эллипсоид диаметром более 600 тысяч световых лет, окружающий галактический диск. Его масса составляет от двух до шести триллионов солнечных масс и температура около 5×10⁵ K. Вращается гало очень медленно. В гало Галактики наблюдаются "высокоскоростные" облака атомарного водорода, перемещающиеся независимо от ее вращения, звезды классов К, М, короткопериодические цефеиды, субкарлики, долгопериодические переменные, шаровые звездные скопления, межзвездная среда. Одни облака, в составе которых около 0,1 % тяжелых химических элементов, состоят из вещества, притянутого Галактикой из окружающего пространства. Другие облака образованы выбросами вещества из галактического диска при вспышках Сверхновых в звездных скоплениях и других космических явлениях; их состав включает до 1% тяжелых химических элементов.
    Темная материя - основной состав гало. Изучение динамики звезд и межзвездного вещества показывает, что наблюдаемое светящееся вещество составляет до 10% общей массы Галактики. Остальное - так называемое темное вещество, еще не идентифицированное.  По сравнению с диском и центральным балджем, в гало имеется очень мало светящегося вещества, хотя изучение гравитационного поля показывает, что невидимая компонента массы Галактики, вероятно, распределена в сфере вокруг Галактики, а не сконцентрирована в диске. Предполагается, что это темное вещество распространено в пространстве на расстояниях до 300000 световых лет, заполняя область, которую иногда называют галактической короной. Эта область выходит далеко за пределы гало, определенные видимыми объектами. По оценке ученых ее количество составляет до 82% вещества во Вселенной. А согласно данных, которые стали известны в 2003 году благодаря зонду WMAP - 74 процента Вселенной составляет "темная энергия", 22 - "темная материя" и 4 - обычное вещество.

Ядро

Диск

Спиральные ветви

Сферическая составляющая

Черная дыра

ГМО "молекулярного кольца"

Диффузные газопылевые туманности

Звезды классов К, М, короткопериодические цефеиды, субкарлики, долгопериодические переменные

Керн - околоядерный газовый диск

Звезды главной последовательности, красные гиганты и сверхгиганты

Звездные ассоциации

Шаровые звездные скопления

ГМО

Туманности

Звезды классов О, В, А, F

Межзвездная среда

Туманности

Рассеянные звездные скопления

Межзвездная среда

"Высокоскоростные" облака атомарного водорода

Звезды различных классов

Межзвездная среда

Космические лучи

Карликовые галактики - спутники

Межзвездная среда

Космические лучи

Темная материя

4. Вращение Галактики
    Галактика обладает сложным дифференцированным характером вращения вокруг своей оси. Галактика в целом вращается, но не как жесткое тело, а поэтому она постоянно деформируется. Собственные скорости звезд в ядре достигает 1000-1500 км/с. Скорость обращения галактических рукавов ниже скорости движения отдельных звезд на том же расстоянии от центра Галактики.
   Солнечная система располагается вблизи экваториальной плоскости Галактики в 26000 св. лет от ее центра (на расстоянии совпадения скорости вращения Галактики и движения ее спиральных рукавов). Период обращения Солнечной системы вокруг центра Галактики составляет 225-250 миллионов лет. Средняя продолжительностьгалактического года (Т_G) равна 213 млн. лет.  Из анализа собственных движений 300000 звезд по смещению линий в спектрах благодаря эффекту Доплера установлено, что Солнечная система перемещается относительно ближайших звезд со скоростью 20 км/с в направлении созвездия Геркулеса и вместе с ними вращается вокруг центра Галактики со скоростью 250 км/c в направление созвездий Лебедя и Цефея. Точка небесной сферы, в направлении которой движется Солнечная система, называется апексом (от лат. "вершина" -  α=17^h38^ч, δ=+30^о).
     Плоскость Галактики и плоскость Солнечной системы не совпадают, а находятся под углом друг к другу и планетная система Солнца скорее катится, чем плывет, совершая оборот вокруг центра Галактики. На схеме показано положение Солнечной системы (ее наклон) относительно плоскости Галактики (направление на Солнце и центр Галактики совпадают).

5. Радиоизлучение Галактики 

    На данном изображении,  полученном спутником "Исследование космического фона" показана наша Галактика в инфракрасном свете. Тонкая полоска диска нашей спиральной Галактики содержит звезды, показанные белым цветом, и межзвездную пыль, показанную красным цветом.
   Карл ЯНСКИЙ (1905-1950, США) радиоинженер, в декабре 1931 года открыл космическое радиоизлучение на длине волн 14,6м (при изучении атмосферных помех, шумов и свистов). Определяет периодичность в 23 часа 56 минут (оборот Земли) и к апрелю 1933г направление -идущее из Млечного Пути из созвездия Стрельца (Центр Галактики). Так было открыто радиоизлучение Галактики 
    Первый радиотелескоп построил в 1937г радиоинженер Гроут Ребер (1911-2002, США), самостоятельно сделавший у себя в саду из листов железа 9-метровый рефлектор, в принципе такой же, как нынешние гигантские параболические антенны. Ребер составил в 1942г первую радиокарту неба и обнаружил, что на волне 1,85 м излучает весь Млечный Путь, но наиболее сильно – его центральная часть.
    Излучение космических радиоисточников бывает двух типов: тепловое и нетепловое (обычно синхротронное). Тепловое излучение рождается в горячем газе от случайного (теплового) движения заряженных частиц – электронов и протонов. Его интенсивность в широком диапазоне спектра почти постоянна, но на длинных волнах она быстро уменьшается. Такое излучение характерно для эмиссионных туманностей. Остальные источники имеют нетепловое излучение, интенсивность которого растет с увеличением длины волны. В этих источниках излучение возникает при движении очень быстрых электронов в магнитном поле.
    Звезды – слабые источники радиоволн. В 1970-х годах Р.Хелминг и К. Уэйд из Национальной радиоастрономической обсерватории США открыли радиоизлучение от газовых оболочек, сброшенных новой Дельфина 1967 и новой Змеи 1970. Затем они обнаружили радиоизлучение красного сверхгиганта Антареса и рентгеновского источника в Скорпионе.  В.Бааде и Р.Минковский из обсерваторий Маунт-Вилсон и Маунт-Паломар (США) отождествили многие яркие радиоисточники с оптическими объектами. Мощный радиоисточник в Тельце они отождествили с остатком взрыва сверхновой звезды 1054. Мощный источник в Кассиопее также оказался остатком сверхновой, вспыхнувшей всего лет 300 назад, но не замеченной никем.
    В 1967 Э.Хьюиш, Дж.Белл и их коллеги из Кембриджа (Англия) открыли необычные переменные радиоисточники – пульсары. Излучение каждого пульсара представляет строго периодическую последовательность импульсов; у открытых пульсаров периоды лежат в интервале от 0,0016 с до 5,1 с.
    Нейтральный атомарный водород – возможно, самый распространенный элемент в межзвездном пространстве. Он способен излучать радиолинию с длиной волны 21 см, которая была предсказана в 1944 нидерландским теоретиком Х. ван де Хюлстом и обнаружена в 1951 Х.Юэном и Э.Парселом из Гарвардского университета (США). Около 5% водорода в Галактике вследствие высокой температуры находится в ионизованном состоянии.

6. Эволюция
     Основным "поставщиком" межзвездного газа являются звезды, особенно на последних стадиях своей эволюции: голубые и красные гиганты и сверхгиганты, Новые и Сверхновые порождают в год около 1 М_ межзвездного газа. Вероятно, Галактика притягивает газ из окружающего ее пространства (до 1,2-2 М_ в год). Поэтому количество межзвездного газа в Галактике уменьшается очень медленно. Из межзвездного газа возникают опять звезды.
     Заметно изменяется его химический состав. В звездах I поколения возрастом 12-13 миллиардов лет концентрация тяжелых элементов составляет около 0,1%. Звезды II поколения главной последовательности возрастом 5-7 миллиардов лет содержат до 2 % тяжелых элементов. А вот вклад некоторых источников пыли в Галактике.

Источники пыли

Интенсивность поступления,
10^-3 М_/год

Красные гиганты

3

Взрывы новых

0,4 - 4

Взрывы сверхновых

3

Протозвезды

< 0,3

Планетарные туманности

0,4

Звезды типа Вольфа - Райе

~ 0,01

Всего

~ 10^-2 М_/год

3. Закрепление

1. Как выглядел бы Млечный Путь, если бы Земля находилась: а) в центре Галактики; б) на краю галактического диска, в 50000 св. лет от центра Галактики; в) в одном из шаровых скоплений сферической составляющей; г) на расстоянии 10000 св. лет над северным полюсом Галактики; д) для наблюдателя в Большом Магеллановом Облаке? [без учета других окружающих галактик а) все небо было бы светящимся от звезд и газовых облаков  б) Млечный путь наблюдался бы с концентрацией звезд к одной стороне неба, в то время как противоположная содержала бы незначительное число звезд, много наблюдалось бы шаровых скоплений  в) в шаровом зависит от места в нем. Если в центре , то вокруг наблюдалось бы огромное число звезд этого шарового скопления. Если на краю, то наблюдалась бы в одной стороне неба  громадная яркая спиральная система Галактики, а с другой яркая система шарового скопления  г) с одной стороны огромную спиральную структуру Галактики, яркая освещенность неба, с другой шаровые скопления д) в зависимости от местоположения, но в любом случае одну сторону неба представляла бы довольно большая спиральная структура Галактики]

2. В 1974 году по программе SETI к шаровому звездному скоплению М13 в созвездии Геркулеса (расстояние 24000 св. лет) было отправлено радиосообщение о земной цивилизации. Как вы думаете, дождутся ли и, если "да", то когда дождутся наши потомки ответа? [если есть цивилизация способная по уровню технического развития ответить, то t=s/v=2R/c=2^.24000=48000 лет. Но возможно и раньше, если сигнал примет цивилизация с более ближней звезды, попавшей в зону возможности приема]

3. №11 (стр. 161) [из формулы M = m + 5 - 5lg r находим расстояние lg r= (15,1+5)/5= 4,02 отсюда  получим r≈10500пк. А=а"r=a"/π"=12^.60^.10500/206265=36,65пк]

4. Итог
1. Что такое Галактика?
2. Какие объекты входят  в состав Галактики?
3. Каково строение Галактики?
4. Оценки

Дома: §28, вопросы стр. 160-161 (задачи №10, 12-13), Опросник, кроссворд по теме "Звезды". Презентация по одной из тем.