Сонячна система; 14 — газова корона Галактики

Диск

Лише у 1980-х роках астрономи висловили припущення, що Чумацький Шлях є спіраллю із перемичкою, а не звичайною спі­раллю. Це припущення було підтверджене 2005 року Космічним телескопом імені Лаймана Спітцера, який показав, що центральна перемичка нашої галактики є більшою, ніж вважалося раніше.

За оцінками вчених, галактичний диск, що видається в різні боки у районі галактичного центру, має діаметр близько 100 000 світлових років. Порівняно з гало диск обертається помітно швидше. Швидкість його обертання не однакова на різних відстанях від центра. Вона швидко зростає від нуля в центрі до 200- 240 км/с на відстані 2 тис. світлових років від нього, потім дещо зменшується, знову зростає приблизно до того ж значення і далі залишається майже постійною. Вивчення особливостей обертання диска дозволило оцінити його масу. Виявилось, що вона в 150 млрд разів більше від М₀. Поблизу площини диска концентруються молоді зорі і зоряні скупчення, вік яких не перевищує декількох мільярдів років. Вони утворюють так звану плоску складову. Серед них дуже багато яскравих і гарячих зір. Газ в диску Галактики також зосереджений в основному поблизу його площини. Він розподілений нерівномірно, утворюючи численні газові хмари — від гігантських неоднорідних за структурою надхмар протяжністю декілька тисяч світлових років до маленьких хмарок, не більших за парсек.

Гало

Галактичний диск оточений сфероїдним гало, що складається зі старих зір та кульових скупчень, 90 % яких знаходяться на відстані понад 100 000 світлових років від центра галактики. Це дозволяє припустити, що діаметр зоряного гало складає 200 000 світлових років. Однак останнім часом було винайдено декілька кульових скупчень, таких як PAL4 та АМ1, що знаходяться на відстані більш ніж 200 000 світлових років від центра галактики. Центр симетрії гало Чумацького Шляху збігається з центром га­лактичного диска. Складається гало в основному з дуже старих, неяскравих маломасивних зір. Вони зустрічаються як поодинці, так і у вигляді кульових скупчень, які можуть включати понад мільйон зір. Вік населення сферичної складової Галактики перевищує 12 млрд років, його зазвичай приймають за вік самої Галактики.

У той час як галактичний диск містить газ та пил, що утруднює проходження видимих хвиль, сфероїдна компонента не містить таких складових. Активне зореутворення відбувається в диску (особливо в спіральних рукавах, що є зонами посиленої густини). Однак воно не відбувається у гало. Розсіяні скупчення також трапляються переважно в диску. Вважається, що більшість маси нашої галактики складає темна матерія, яка формує гало чорної матерії масою у приблизно 600-3000 мільярдів . Гало темної матерії сконцен­троване у напрямку центра галактики.

Зорі сферичної складової концентруються відповідно до центра Галактики. Центральна, найбільш густа частина гало в межах декількох тисяч світлових років від центра Галактики називається балдж (у перекладі з англ. «потовщення»).

Зорі і зоряні скупчення гало рухаються навколо центра Галакти­ки по дуже видовжених орбітах. Через те, що обертання окремих зірок відбувається майже безладно (тобто швидкості сусідніх зір можуть мати будь-які напрямки), гало в цілому обертається дуже поволі.

Ядро

Центр галактики містить компактний об’єкт доволі значної маси (близько 4, 3 мільйона .), розташований у напрямі сузір’я Стрільця. Цей об’єкт має назву Стрілець А* (англ. Sagittarius А*). Більшість вчених вважають його супермасивною чорною дірою. Іс­нує припущення, що більшість галактик мають супермасивні чорні діри у своєму галактичному центрі. Навколо масивної чорної діри обертається чорна діра меншого розміру масою від 1000 до 10 000 . з періодом обертання близько 100 років та декілька тисяч відносно незначних.

Для центральних областей Галактики характерна сильна концентрація зір: у кожному кубічному парсеку поблизу центра їх міститься багато тисяч. Відстані між зорями в десятки і сотні разів менше, ніж на околицях Сонця. Як і в більшості інших галактик, розподіл маси у Чумацькому Шляху є таким, що орбітальна швидкість більшості зір цієї Галактики не залежить значною мірою від їх відстані від центра. Далі від центральної перемички та зовнішнього кола звичайна швидкість обертання зір становить 210-240 км/год. Таким чином, орбітальний період звичайної зорі прямо пропорційний лише довжині шляху, який він проходить. Це твердження не справджується відносно Сонячної системи, де різні орбіти мають суттєво різні швидкості обертання, що підтверджує існування чорної матерії.

Вважається, що довжина галактичної перемички складає близь­ко 27000 світлових років. Ця перемичка проходить крізь центр галактики під кутом 44 ±10 градусів до лінії між нашим Сонцем та центром галактики. Вона складається переважно із червоних зір, які вважають дуже давніми. Перемичка оточена кільцем, що має назву «Кільце у п’ять кілопарсеків». Це кільце містить більшу частину молекулярного вуглецю, що міститься у галактиці і є найбільш активним регіоном зореутворення у нашій галактиці. Якщо вести спостереження із галактики Андромеди, то галактична перемичка Чумацького Шляху була б найяскравішою його частиною.

Галактика має складний диференційований характер обертання навколо своєї осі (рис..2). Швидкості зір у ядрі досягають 1000-1500 км/с. Швидкість обертання галактичних рукавів нижча від швидкості руху окремих зір на тій же відстані від центра Галактики.

Сонячна система розташовується поблизу екваторіальної площини Галактики в 34 000 світлових років від її центра (на відстані збігу швидкості обертання Галактики й руху її спіральних рукавів). З аналізу рухів 300 000 зір за зсувом ліній у спектрах завдяки ефекту Доплера встановлено, що Сонячна система переміщується відносно найближчих зір зі швидкістю 20 км/с у напрямку сузір’я Геркулеса й разом із ними обертається навколо центра Галактики зі швидкістю 250 км/с у напрямку сузір’їв Лебедя й Цефея. Точка небесної сфери, у напрямку якої рухається Сонячна система, називається апексом.

Рис. 2. Крива обертання Галактики

Період обертання Сонячної системи навколо центра Галактики становить 195-220 мільйонів років. Середня тривалість галактичного року (T_G) дорівнює 213 млн років.

Концентрація речовини міжзоряного середовища досить нерівномірна. Вона різко зростає в площині обертання Галактики й у шарі завтовшки 500 світлових років діаметром 100 000 світлових років становить 10^-21 кг/м³. Хмари темної густої пилової матерії, що поглинає зоряне світло, видно на тлі Чумацького Шляху неозброєним оком у сузір’ях Лебедя, Змієносця, Щита, Стрільця. Найбільшої густини вона набуває в напрямку ядра Галактики. На відстані від 4 до 8 тис. пк від галактичного центра розташовується «молекулярне кільце» Галактики — скупчення галактичних молекулярних хмар масою до 3·10⁹ ..

Розріджений нейтральний газ на відстані від зір прозорий для оптичного випромінювання. Вивченню розподілу й характеристик газу в міжзоряному середовищі й галактичних молекулярних хмарах сприяє радіовипромінювання молекулярного водню (І - 0, 21 м) й гідроксилу ОН (І = 0, 18 м).

Турбулентна міжзоряна плазма сконцентрована в хмарах, що займають близько 20 % міжзоряного середовища. Поза спіральними рукавами рідкі плазмові хмари розмірами менше 26 пк і густиною електронів 0, 1-0, 3 частинки/см виявляються на відстанях до ±900 кпк від площини Галактики. Хмари в спіральних рукавах (±200 пк від площини Галактики) мають розміри до 50 пк, електронну густину — 0, 2-1, 0 частинки/см³. У зонах зореутворення в площині Галактики електронна густина хмар розмірами 10-50 пк досягає 1-10 частинок/ см³.

Відносний вік і порядок утворення зір у Галактиці визначають з аналізу хімічного складу зоряних областей — підсистем Галактики. Народження зір у Галактиці протягом мільярдів років зменшує концентрацію міжзоряного газу й сповільнює темпи зореутворення до повного його припинення через «нестачу сировини» для формування зір наступних поколінь. У минулому темп зореутворення був значно вищим. Зараз у всій Галактиці щорічно на зорі перетворюється міжзоряний газ масою від 4 . до 10 . Він повинен відновлятися, інакше повністю вичерпався б у перші 1-2 млрд років життя Галактики.

Основним «постачальником» міжзоряного газу є зорі, особливо на останніх стадіях своєї еволюції: блакитні й червоні гіганти й надгіганти, нові й наднові породжують протягом року близько 4 . міжзоряного газу. Імовірно, Галактика притягує газ із навколишнього її простору (до 1, 2-2 . в рік). Тому кількість міжзоряного газу в Галактиці зменшується дуже повільно.

Помітно змінюється його хімічний склад. У зорях І покоління віком 12-15 мільярдів років концентрація важких елементів становить близько 0, 1 %.

Зорі другого покоління Головної послідовності віком 5-7 млрд років містять до 2 % важких елементів.

У сучасних дифузійних туманностях досить багато пилу, різних газів, важких хімічних елементів і складних молекулярних сполук. Молоді зорі класів О, В, А віком 0, 1-3 млрд років у розсіяних скупченнях належать до нового, третього покоління зір. Вони містять близько 3-4 % важких елементів.

У гало Галактики спостерігаються «високошвидкісні» хмари атомарного водню, що переміщаються незалежно від її обертання. Одні хмари, у складі яких близько 0, 1 % важких хімічних елементів, складаються з речовини, притягнутої Галактикою з навколишнього простору. Інші хмари утворені викидами речовини з галактичного диска під час спалахів наднових у зоряних скупченнях й інших космічних явищ; в їхньому складі — до 1 % важких хімічних елементів.

Важливою складовою міжзоряного середовища Галактики є космічні промені-потоки заряджених елементарних частинок з енергією до 10²¹ еВ: протони (91, 7 %), релятивістські електрони (0, 92 %), ядра атомів Гелію (6, 6 %) і більш важких хімічних елементів (0, 72 %). Незважаючи на низьку просторову густину космічних променів (у Землі — 1 частка/ см³ с), густина їхньої енергії порівнянна із густиною енергії сумарного електромагнітного випромінювання зір, енергії теплового руху міжзоряного газу й магнітного поля Галактики. Основним джерелом космічних променів є спалахи наднових.

Загальне магнітне поле Галактики має індукцію близько 10^-10Тл. Силові лінії в основному паралельні до галактичної площини й вигинаються уздовж її спіральних рукавів. Взаємодіючи із зарядженими частинками космічних променів, магнітне поле Галактики викривляє траєкторії їхнього руху уздовж силових лі­ній і гальмує релятивістські електрони, породжуючи нетеплове (синхротронне) випромінювання радіохвиль із довжиною хвилі понад 1 м. Вивчення «варіацій» — просторово-часових змін характеристик космічних променів під впливом різних процесів у міжзоряному просторі й космічних об’єктах — дозволяє досліджувати електромагнітні поля окремих протяжних космічних об’єктів і всієї Галактики загалом. Висока енергія космічних променів робить їх незамінними помічниками фізиків під час вивчення будови речовини й взаємодій елементарних частинок.