Каким способом можно определить массу галактики
Основной метод определения массы Галактики – измерение скорости шаровых скоплений, находящихся на периферии Галактики.
Используя данные, полученные от нескольких космических аппаратов, в том числе Хаббла и Гайя, астрономы получили результат: масса нашей Галактики – 1.5 триллиона масс Солнца. На долю темного вещества (если это, действительно, вещество), приходится 85-90 % оцененной массы.
Чтобы понятней была идея решения, приведем очень простой пример. Измерив орбитальную скорость планеты и ее расстояние от Солнца, можно определить массу центрального тела, создающего поле тяготения (Солнца).
Значит, чтобы найти массу всей Галактики, нужно найти орбитальную скорость светил, орбита которых охватывает всю Галактику, и оценить их расстояние от центра Галактики. Для этого больше всего подходят шаровые скопления, так как они – самые дальние объекты, принадлежашие нашей Галактике. Реально решение такой задачи оказывается намного сложнее приведенного примера и описанного здесь способа.
Галактика не является одним компактным телом, как Солнце, а состоит из множества отдельных составных частей. Кроме излучающих звезд, которых насчитывается примерно 300 миллиардов и которые составляют всего 4% массы Галактики, в ней находятся коричневые и угасшие звезды, планеты и другие «малые тела», межзвездное вещество, центральная черная дыра и огромная масса темного вещества. Все перечисленное распределено неравномерно в теле Галактики, которая сама имеет довольно сложную форму.
Шаровые скопления – самые дальние и самые старые объекты Галактики. Они образовались из газовых сгустков во времена образования галактик, содержат сотни тысяч – миллионы звезд.
Шаровое скопление. Фото космического аппарата Хаббл
Все звезды скопления имеют свои скорости и из-за влияния соседних звезд могут приобретать скорости, позволяющие покинуть скопление. Это явление называется испарением скоплений. Зная величину гравитационного поля скопления, можно рассчитать, за сколько времени скопление должно испариться – за десятки миллиаров лет. Но шаровые скопления существуют, так как им «всего» 10 миллиардов лет. Правда, скопления, содержавшие меньшее число членов, уже давно рассыпались в поле Галактики.
Чтобы оценить массу Галактики, как уже было сказано, надо определить скорость движения шарового скопления по орбите, но из наблюдений у нас есть возможность получить только скорость скопления относительно наблюдателя. Ее пересчитывают в скорость относительно центра Галактики и получают положение скопления на орбите в момент времени наблюдений. Таких положений скопления нужно получить несколько, желательно как можно с большим интервалом времени наблюдений, что позволит вычислить параметры орбиты и скорости в любой ее точке. Орбиты шаровых скоплений в первом приближении – эллипсы. Периоды вращения составляют миллиарды лет, а скорости – сотни км/с.
Для получения пространственной скорости скопления относительно наблюдателя, кроме радиальной скорости и расстояния, которые сравнительно легко определяются, нужно получить тангенциальную составляющую скорости. Ее измеряют по двум координатам в угловой мере. Это так называемое «собственное движение». Его измерение представляет самые большие трудности: как измерить угловое смещение скопления, удаленного на десятки тысяч световых лет? С Земли его заметить невозможно. Поэтому используются данные космических аппаратов.
В 2018 году группа сотрудников Астрономического института Московского Университета (ГАИШ МГУ) опубликовала серию статей о собственных движениях шаровых скоплений и об их орбитах (Астрофизическийбюллетень, 2018, том 73, №2, с. 168–189. А. Расторгуев и др.).
Авторы использовали шесть звездных каталогов разных эпох, охватывающие 65 лет наблюдений, за опорный был принят первый каталог Гайя. В каждом из исследованных шаровых скоплений определялись изменения со временем координат выделенных звезд и оценивались их собственные движения. Усредненные по каждому шаровому скоплению собственные движения имели точность 0.004 секунды дуги в год. Для каждого из 115 изученных скоплений было получено по несколько точек на орбитах за суммарный интервал времени в 65 лет. Эти результаты позволили определить параметры орбит. Выяснилось, что эллиптические орбиты шаровых скоплений значительно изменяются из-за влияния неоднородностей плотности Галактики. Эти исследования будут продолжены и дадут возможность получить более точную оценку массы Галактики.
Второй пакет данных, полученный с космической обсерватории Гайя, дал возможность международной группе ученых во главе с Лаурой Уоткинс провести в 2019 году новые исследования («Evidence for an Intermediate-Mass Milky Way from Gaia DR2 Halo Globular Cluster Motions» Laura L. Watkins и др., 8 февраля 2019 г., Архив Корнелльского университета). Второй пакет данных Гайи содержит галактоцентрические координаты, направления и скорости движения в картинной плоскости, лучевые скорости, расстояния и другие характеристики более миллиарда небесных объектов.
Космическая обсерватория Гайя
Авторы использовали данные о 34 шаровых скоплениях, находящихся в пределах 65 000 световых лет от Солнца и наблюдавшихся космическим аппаратом Гайя в течение 22 месяцев. Эта выборка была дополнена 12-ю шаровыми скоплениями в радиусе 130 000 световых лет, наблюдавшимися космическим аппаратом Хаббл в течение 10 лет. Для всех скоплений были вычислены орбитальные скорости. Четыре скопления оказались общими для обоих списков. Их орбитальные скорости совпали.
Используя полученные орбитальные скорости 46 шаровых скоплений, авторы оценили суммарную массу всех компонентов нашей Галактики в 1.5 триллиона масс Солнца в объеме радиусом 129 000 световых лет. Реальный радиус внешней границы Галактики неизвестен. На долю барионного вещества приходится 10-15 % массы, остальные 85-90 % массы – на темное вещество непонятной природы.
- Войдите на сайт для отправки комментариев
- 6507 просмотров
В данной статье, представленной уважаемой RMR_astra, меня поразили несколько фактов.
1. В Астрономическом институте Московского Университета (ГАИШ МГУ) продолжают проводить фундаментальные научные разработки. Зная немного изнутри, кто и в каком количестве в настоящее время приходят в ГАИШ, можно только продолжать надеяться, что науку и истинных ученых «не задушишь, не убьешь».
2. Задача определения массы нашей Галактики — грандиозный замысел. Пусть даже оценка массы и объема может оказаться ошибочной. Ведь результат невозможно точно проверить и подтвердить. Но сама попытка достойна больше, чем уважения.
Поэтому возник вопрос. Проводились ли подобные расчеты где-либо раньше?
85-90 % массы – темное вещество непонятной природы.
Самые значительные открытия совершались, когда физики, в данном случае, астрофизики честно и открыто признавали, что не понимают и не могут объяснить.
Уважаемая Полина! Ваш вопрос попал в точку, так как это больной вопрос. Масса Галактики оценивалась много раз. Разброс результатов – огромный: от 0.5 триллиона до 3 триллионов масс Солнца.
Хорошо, что авторы подробно описывают использованные методы, можно понять, почему такая большая разница в оценках. В ранних работах не учитывались массы коричневых карликов, небольших черных дыр, в которые, умирая, превратились некоторые звезды, и других составляющих Галактики, которые наблюдаются только из космоса в инфракрасном или коротковолновом диапазонах. Хорошо, что многие авторы указывают, какой объем Галактики они “захватили”, т.е. как далеко смогли “увидеть”. Более новые исследования включают диск темного вещества, но его размер точно не известен. Поэтому в последней работе, описанной в моей статье, авторы указывают радиус объема, в котором они оценили массу: 129 000 световых лет.
Оценки массы галактики осуществляются на большом наблюдательном материале, применяются различные методы и подходы, результаты наблюдений используются для компьютерного моделирования. Во всех научных статьях приводятся оценки достоверности полученных результатов.
Астрономы ждут результатов новых космических исследований, поэтому вполне возможны уточнения.
Статья об определении массы нашей Галактики заставила меня изменить мировоззрение. Хотелось ответить сразу, но в тот момент не получилось по времени, а потом понадобилось ждать вдохновения.
Честно могу признаться, что в некоторый момент у меня возникло негативное отношение именно к научно-популярным лекциям о жизни звезд, и особенно Солнца, в миллиарды лет. Зачем задумываться, и тем более переживать, если Солнцу, от которого больше всего зависит жизнь на Земле, отмерен срок в миллиарды лет, многократно превышающий жизнь отдельного человека. Ведь важнее то, что происходит «здесь и сейчас».
Мне казалось, что для обычных людей, наоборот, необходим акцент на постоянную зависимость выживания человечества от влияния Космоса. Например, мощная вспышка на Солнце, поток от которой будет направлен в сторону Земли, может уничтожить человечество или так видоизменить жизнь, что будет уже не до миллиардов лет существования.
Но почему-то именно информация, представленная уважаемой RMR_astra:
масса нашей Галактики в 1.5 триллиона масс Солнца в объеме радиусом 129 000 световых лет
наглядно показала мне место жизни на Земле в масштабах Вселенной. Невозможно существование жизни на единственной планете, если создана такая Галактика, в которой массы измеряются триллионами Солнц.
У меня возникло ощущение, что жизнь отдельного человека на Земле не может не трансформироваться в другие формы для освоения и познания Вселенной таких масштабов. И те астрономы, и астрофизики, которые мыслят миллиардами и триллионами, выстраивая модели нашего мира, призваны, видимо, свыше, расширять горизонты нашего восприятия. Тогда и жить становится намного интереснее и исчезает страх перед будущим.
Наверное, поэтому всегда было уважение к настоящим ученым. Они увлеченные, целеустремленные, самодостаточные, независимые, обогащающие человечество знаниями и идеями.
Уважаемая Полина !
Не зря космонавты твердят: «Берегите нашу Землю. Она так мала и хрупка!» А из дальнего космоса Земля выглядит меньше пылинки. Уничтожать природу и развязывать войны могут только те, кто этого не понимает и не жалеет ни Земли, ни людей. Если все же человечеству удастся пережить этот период истории, перед будущими людьми откроются такие перспективы, которые мы представить даже не можем.
К.Э. Циолковский писал: «Земля – колыбель человечества, но ведь невозможно вечно оставаться в колыбели. »
Это стало очевидным благодаря Настоящим ученым, изучавшим космос от древности до наших дней.
Спасибо за ответ, уважаемая RMR_astra! Все-таки так приятно получить отклик, что тебя понимают.
Земные неприятности нашей жизни просто меркнут на фоне Вселенной. Не до конца написала, что после статьи появилось чувство, что душа не умирает, а странствует по просторам Космоса.
Источник
Как измеряют массу планет
Характеристики планет Солнечной системы были известны еще в средневековье, во времена Кеплера и Галилея. То есть, массу планет приблизительно можно было определить даже простыми методами и инструментами. В современной астрономии есть несколько методов расчета характеристик планет, звезд, скоплений и галактик.
Планеты солнечной системы
Интересный факт: 99,9% всей массы Солнечной системы сосредоточена в самом Солнце. На все планеты вместе взятые приходится не более 0,01%. При этом из этих 0,01%, в свою очередь, 99% массы приходится на газовые гиганты (в том числе 90% только на Юпитер и Сатурн).
Рассчитываем массу Земли и Луны
Чтобы измерить массу планет солнечной системы, проще всего в первую очередь найти значения для Земли. Как мы помним, ускорение свободного падения определяется по формуле F=mg, где m – масса тела, а F – действующая на него сила.
Параллельно вспоминаем универсальный закон всемирного тяготения Ньютона:
Сопоставив эти две формулы, и зная значение гравитационной постоянной 6,67430(15)·10−11 м³/(кг·с²), можно рассчитать массу Земли. Ускорение свободного падения на Земле мы знаем, 9,8 м/с2, радиус планеты тоже. Подставив все данные на выходе получим приблизительно 5,97 х 10²⁴ кг.
Зная массу Земли, мы легко рассчитает параметры по другим объектам Солнечной системы – Луна, планеты, Солнце и так далее. С Луной вообще все довольно просто. Здесь достаточно учесть, что расстояния от центров тел до центра масс соотносятся обратно их массам. Подставив эти цифры для Земли и ее спутника получим массу Луны 7.36 × 10²² килограмма.
Перейдем теперь к методикам измерения массы планет земной группы – Меркурий, Венера, Марс. После чего рассмотрим газовые гиганты, и в самом конце – экзопланеты, звезды и галактики.
Общие методики определения масс планет
Наиболее классический способ, как узнать массу планет – расчет при помощи формул третьего закона Кеплера. Он гласит, что квадраты периодов обращения планет соотносятся так же, как кубы больших полуосей орбит. Ньютон немного уточнил этот закон, внеся в формулу массы небесных тел. На выходе получилась такая формула –
Таким способом можно найти массу всех планет Солнечной системы и самого Солнца.И периоды обращения, и большие полуоси орбит планет Солнечной системы легко измеряются астрономическими методиками, доступными даже без сложных инструментов. А так как массу Земли мы уже рассчитали, можно все цифры подставить в формулу и найти конечный результат.
В отношении же экзопланет и других звезд (но только двойных) в астрономии обычно применяется метод анализа видимых возмущений и колебаний. Он основан на том факте, что все массивные тела “возмущают” орбиты друг друга.
Такими расчетами были открыты планеты Нептун и Плутон, еще до их визуального обнаружения, как говорят “на кончике пера”.
Значения масс планет Солнечной системы
Итак, мы разобрались с общими методиками расчета масс разных небесных тел и посчитали значения для Луны, Земли и Галактики. Давайте теперь составим рейтинг планет нашей системы по их массе.
Возглавляет рейтинг с наибольшей массой планет Солнечной системы – Юпитер, которому не хватило одного порядка чтобы наша система стала двойной. Еще чуть-чуть и у нас могло быть два Солнца, второе вместо Юпитера. Итак, масса этого газового гиганта равняется 1,9 × 10²⁷ кг.
Интересно, что Юпитер – единственная планета нашей системы, центр масс вращения с Солнцем которой расположен вне поверхности звезды. Он отстоит примерно на 7% расстояния между ними от поверхности Солнца.
Вторая по массе планета – Сатурн, его масса 5,7 × 10²⁶ кг. Следующим идет Нептун – 1 × 10²⁶. Четвёртая по массе планета, газовый гигант Уран, масса которого – 8,7 × 10²⁵ кг.
Далее идут планеты земной группы, каменистые тела, в отличие от газовых гигантов с их большим радиусом и относительно малой плотностью.
Самой тяжелой из этой группы является наша планета, ее массу мы уже рассчитали. Далее идет Венера, масса этой планеты равняется 4,9 × 10²⁴ кг. После нее в рейтинге идет Марс, он почти в 10 раз легче – 6,4 × 10²³кг. И замыкает его, как планета самой маленькой массы, Меркурий – 3,3 × 10²³кг. Что интересно, Меркурий даже легче, чем два спутника в Солнечной системе – Ганимед и Каллисто.
Определение масс звезд и галактик
Для того чтобы найти характеристики одинарных звездных систем применяется гравиметрический метод. Его суть в измерении гравитационного красного смещения света звезды. Оно измеряется по формуле ∆V=0,635 M/R, где M и R – масса и радиус звезды, соответственно.
Косвенно можно также вычислить массу звезды по видимому спектру и светимости. Сначала определяется ее класс светимости по диаграмме Герцшпрунга-Рассела, а потом вычисляется зависимость масса/светимость. Такой способ не подходит для белых карликов и нейтронных звезд.
Масса галактик вычисляется в основном по скорости вращения ее звезд (или просто по относительной скорости звезд, если это не спиральная галактика). Все тот же всемирный закон тяготения Ньютона нам гласит, что центробежную силу звезд в галактике можно выразить в формуле:
Только в этот раз в формулу мы подставляем расстояние от Солнца до центра нашей галактики и его массу. Так можно рассчитать массу Млечного Пути, которая равняется 2,2 × 10⁴⁴г.
Не забываем, что эта цифра – это масса галактики без учета звезд, орбиты которых располагаются вне орбиты вращения Солнца. Поэтому для более точных расчетов берутся самые внешние звезды рукавов спиральных галактик.
Для эллиптических галактик способ нахождения массы схож, только там берется зависимость между угловым размером, скоростью движения звезд и общей массой.
Похожие статьи
Понравилась запись? Расскажи о ней друзьям!
Источник
