Солнце и Земля входят в систему звезд и планет, которая называется галактикой, или нашей Галактикой. Конечно же, она не одинока. На ночном небе расположены миллионы галактик. Каждая из них содержит множество звезд, собранных вместе и удерживаемых силой тяготения. Крупнейшие галактики содержат триллионы звезд, сгруппированных вместе. Некоторые удалены от нашей Солнечной системы более чем на миллиард световых лет. Среди галактик есть такие же большие, как и наша, в которую входят не менее 100 миллиардов звезд и планет. Диаметр нашей Галактики измеряется ста тысячами световых лет. От Солнца до центра Галактики - 30 тысяч световых лет. Нам даже трудно представить, насколько велики эти цифры. Для этого у нас просто-напросто не хватит воображения. Галактики расположены группами и узнаются по форме, которую они образуют. Существует 4 основных типа галактик — это спиральные галактики, эллиптические (яйцевидные), галактики в форме замкнутой спирали и нерегулярные галактики. Сила тяготения помогает им поддерживать свою форму. Некоторым галактикам даются имена. Наша галактика - Млечный Путь - это спиральная галактика. Она маленькая, так как содержит только около 20 звездных скоплений, собранных вместе. Самая огромная галактика — Дева: в ней приблизительно 1000 скоплений. А спираль Андромеды — одна из ближайших к Млечному Пути галактик. По приблизительной оценке она расположена на расстоянии 2,2 млн световых лет и все же может быть видна невооруженным глазом.

Наша Галактика и ее ближайшее окружение

Ядро нашей Галактики (направление на созвездие Стрельца) в 1948-м году впервой удалось сфотографировать в тепловых лучах советским астрономам В.Б.Никонову, В.И.Красовскому и А.А.Калиняку в Крымской обсерватории. От Солнца ядро закрыто скоплениями газа и пыли, но тепловые лучи их с потерями преодолевают. Изучение ядра с помощью инфракрасных, рентгеновских и радиоволн позволяет сделать вывод о том, что в центре его находится черная дыра, масса которой, по разным оценкам, составляет от 100 до миллиона масс Солнца. Солнце расположено примерно в 25 000 световых лет от ядра, у границы одного из спиральных рукавов, которых у нашей Галактики пока насчитывают четыре. В Галактике известно 147 шаровых скоплений. Диаметр нашей Галактики составляет около 100 000 световых лет, а число звезд в ней примерно 150 миллиардов. Наш звездный дом - крупная галактика. Убедимся в этом, осмотрев ее фотографию.

Эллиптические галактики.

Скорости звезд в них тем больше, чем массивнее галактика, но скорости соседних звезд, как правило, имеют различное направление, так что среднее значение скорости в каждом локальном объеме галактики оказывается небольшим. Поэтому даже при высоких скоростях движения звезд вращение галактики как целого довольно медленное – несколько десятков километров секунду. Любопытно, что степень сжатия галактики, вопреки ожиданиям, оказалась не связанной со скоростью ее вращения: медленно вращающаяся галактика может быть как шарообразной, так и сплюснутой.

Спиральные галактики.

Различные компоненты галактик имеют разные скорости вращения. Медленнее всего вращается звездный балдж и звездное гало: их скорости вращения почти так же невелики, как у Е-галактик. Звезды и газ в галактическом диске вращаются быстрее, потому что скорости всех объектов диска более упорядоченны: они движутся преимущественно в одном направлении. Наибольшей упорядоченностью отличаются скорости облаков газа и молодых звезд. Их орбиты в диске галактики близки к круговым, поэтому скорости этих объектов часто называют скоростями кругового вращения, или круговыми скоростями.

Неправильные галактики.

Это медленно вращающиеся системы. Как и в дисках S-галактик, скорости вращения газа и звезд в них близки к круговым. В отличие от Е-галактик, низкая скорость вращения в Irr-галактиках – следствие их малой массы.

Массы галактик и проблема темного гало.

В середине 20 в. было обнаружено, что в крупных скоплениях галактик средние скорости движения отдельных членов скопления слишком велики, чтобы они могли удержать друг друга в скоплении своим гравитационным притяжением. Но поскольку скопления включают старые звездные системы, они не могут быть короткоживущими образованиями. Отсюда следовало, что большая часть массы должна приходиться на ненаблюдаемую среду, излучение которой почти или полностью отсутствует. Совершенно независимо выявилось, что аналогичная проблема имеет место и для отдельных галактик.

Принцип определения масс галактик довольно прост. Если бы составляющие галактику объекты не притягивали друг друга, то их движение с наблюдаемыми скоростями привело бы к разрушению галактики за несколько сотен миллионов лет. Но силы гравитации препятствуют разлету частей галактики. Поэтому, измерив скорости движения газа или звезд, можно узнать, как распределено вещество в галактике и какова его масса. Пусть скорость кругового вращения в диске галактики на расстоянии R от центра равна V. Тогда масса М галактики, заключенная в пределах R, в первом приближении равна М(R) = V2R/G, где G – гравитационная постоянная. Такой подход позволяет по известной кривой вращения галактики оценить ее массу и узнать, как она распределена в галактике.

В 1970-х было установлено, что форма кривых вращения многих спиральных галактик на больших расстояниях от центра существенно отличается от ожидавшейся. Скорости вращения во внутренней области галактики возрастают с расстоянием R от центра, но, как правило, начиная с некоторого расстояния, почти не меняются с R, сохраняясь высокими даже на периферии диска. Если бы галактика состояла только из обычных (наблюдаемых!) звезд и газа, то скорость вращения во внешних областях галактики должна была бы уменьшаться с ростом R, аналогично тому, как уменьшается скорость обращения планет вокруг Солнца с возрастанием размера их орбит. Более быстрое вращение означает более высокую массу вещества, заключенного в пределах данного радиуса. Отсюда следует, что масса вещества во внешних областях галактик должна быть выше предполагавшейся. Так возникла проблема скрытой, или темной массы в галактиках. Если во внутренней области галактик относительная доля темной массы мала, то чем дальше от центра, тем она больше. Из косвенных данных следует, что основная часть темной массы заключена не в диске, а в сфероидальном компоненте галактик. Поэтому обычно говорят о темном гало галактик.

В различных спиральных и неправильных галактиках доля массы, приходящаяся на темную материю, различна. В большинстве случаев в пределах оптических границ спиральных галактик масса невидимого вещества сопоставима с суммарной массой вещества «видимого»: звезд и газа. Темное вещество продолжает галактику там, где никакого свечения звезд уже не заметно. Но известны и такие галактики, где темная масса преобладает над видимой на всех расстояниях от центра. Независимо был получен вывод о существовании темной массы и в эллиптических галактиках – по наблюдениям рентгеновского излучения горячего газа. Его температура составляет десятки миллионов градусов, и галактика, состоящая из обычных звезд, была бы не в состоянии удержать такой газ сколь-нибудь долго.

Природа темной массы в галактиках до сих пор не вполне ясна. Часть ее можно связать с маломассивными звездами или телами, промежуточными по массе между звездами и планетами. Их излучение необнаружимо слабо, и поиски таких тел представляет серьезную научную проблему. Маломассивные тела удается обнаружить лишь по их гравитационному воздействию на лучи света от далеких звезд, случайно оказавшихся на одной прямой линии с каким-либо из таких «темных» объектов: отклонение лучей света в гравитационном поле объекта приводит к кратковременному поярчению звезды (эффект гравитационного микролинзирования).

Другое направление поиска скрытой массы связано с попыткой обнаружения новых элементарных частиц, ответственных за эту темную массу. Такие частицы должны иметь ненулевую массу покоя и слабо взаимодействовать с обычным веществом, что делает их трудно обнаружимыми. Общая масса таких частиц должна быть очень велика, они должны заполнять всю галактику, свободно проходя не только сквозь межзвездную среду, но и сквозь планеты и звезды. Ожидается, что скорости движения этих частиц в галактиках примерно такие же, как и скорости звезд. Частицы, обладающие требуемыми свойствами, пока не обнаружены методами лабораторной физики, но их существование предсказывается в рамках физических теорий элементарных частиц. Могут ли они составлять основную массу галактик – это должно быть выяснено дальнейшими исследованиями.