Место Солнечной системы в галактике Млечный путь. Движение солнечной системы в просторах вселенной

Даже сидя на стуле перед экраном компьютера и кликая по ссылкам, мы физически участвуем во множестве движений. Куда же мы движемся? Где находится "вершина" движения, его апекс ?

Во-первых, мы участвуем в вращении Земли вокруг оси. Это суточное движение направлено на точку востока на горизонте. Скорость движения зависит от широты; она равна 465*cos(φ) м/сек. Таким образом, если вы находитесь на северном или южном полюсе Земли, то вы не участвуете в этом движении. А скажем, в Москве суточная линейная скорость примерно 260 м/сек. Угловую скорость апекса суточного движения относительно звезд легко посчитать: 360° / 24 часа = 15° / час.

Во-вторых, Земля, и мы вместе с ней, движется вокруг Солнца. (Мы пренебрежем маленьким ежемесячным покачиванием вокруг центра масс системы Земля-Луна.) Средняя скорость годового движения по орбите - 30 км/сек. В перигелии в начале января она чуть выше, в афелии в начале июля - чуть ниже, но поскольку орбита Земли почти точный круг, разница скоростей составляет всего 1 км/сек. Апекс орбитального движения, естественно, смещается и совершает полный круг за год. Его эклиптическая широта 0 градусов, а долгота равна долготе Солнца плюс примерно 90 градусов - λ=λ ☉ +90°, β=0. Другими словами, апекс лежит на эклиптике, опережая Солнце на 90 градусов. Соответственно, угловая скорость апекса равна угловой скорости движения Солнца: 360° / год, чуть меньше градуса в сутки.

Более масштабные движения мы осуществляем уже вместе с нашим Солнцем в составе Солнечной системы.

Во-первых, Солнце движется относительно ближайших звезд (т.н. локальный стандарт покоя ). Скорость перемещения примерно 20 км / сек (чуть больше 4 а.е. / год). Обратите внимание: это даже меньше, чем скорость Земли по орбите. Движение направлено в сторону созвездия Геркулес , а экваториальные координаты апекса α = 270°, δ = 30°. Однако, если мы померяем скорость относительно всех ярких звезд , видимым невооруженным глазом, то получим стандартное движение Солнца, оно несколько другое, меньшее по скорости 15 км / сек ~ 3 а.е. / год). Это тоже созвездие Геркулес, хотя апекс чуть смещен (α = 265°, δ = 21°). А вот относительно межзвездного газа Солнечная система движется слегка быстрее (22-25 км / сек), но апекс значительно сдвинут и попадает в созвездие Змееносец (α = 258°, δ = -17°). Этот сдвиг апекса примерно в 50° связан с т.н. "межзвездным ветром", "дующим с юга" Галактики.

Все три описанные движения это, так сказать, местные перемещения, "прогулки во дворе". Но Солнце вместе с ближайшими и вообще видимыми звездами (ведь мы практически не видим слишком уж далеких звезд), вместе с облаками межзвездного газа обращается вокруг центра Галактики - и это совсем другие скорости!

Скорость движения Солнечной системы вокруг центра Галактики составляет 200 км / сек (больше 40 а.е. / год). Впрочем, указанное значение неточное, определить галактическую скорость Солнца трудно; мы ведь даже не видим, относительно чего меряем движение: центр Галактики скрыт плотными межзвездными облаками пыли. Величина постоянно уточняется и склонна к уменьшению; не так давно она принималась за 230 км / сек (часто можно встретить именно это значение), а последние исследования дают результаты даже меньше 200 км / сек. Галактическое движение происходит перпендикулярно направлению на центр Галактики и потому апекс имеет галактические координаты l = 90°, b = 0° или в более привычных экваториальных координатах - α = 318°, δ = 48°; это точка находится в Лебеде . Поскольку это движение обращения, апекс смещается и совершает полный круг за "галактический год", примерно 250 миллионов лет; угловая его скорость ~5" / 1000 лет, полтора градуса за миллион лет.

Дальнейшие движения включает уже движение целой Галактики. Измерить такое движение тоже не просто, слишком уж велики расстояния, и погрешность в цифрах еще довольно велика.

Так, наша Галактика и галактика Андромеды, два массивных объекта Местной группы галактик, гравитационно притягиваются и движутся навстречу друг к другу со скоростью около 100-150 км/сек, причем основной компонент скорости принадлежит нашей галактике. Поперечная составляющая движения точно не известна, и беспокойства о столкновении преждевременны. Дополнительный вклад в это движение вносит и массивная галактика M33, находящаяся примерно в том же направлении, что и галактика Андромеды. В целом скорость движения нашей Галактики относительно барицентра Местной группы галактик около 100 км / сек примерно в направлении Андромеда / Ящерица (l = 100, b = -4, α = 333, δ = 52), однако эти данные еще весьма приблизительны. Это весьма скромная относительная скорость: Галактика смещается на собственный диаметр за две-три сотни миллионов лет или, очень примерно, за галактический год .

Если измерить скорость Галактики относительно удаленных скоплений галактик , мы увидим иную картину: и наша галактика, и остальные галактики Местной группы совместно как некоторое целое движутся в направлении большого скопления Девы примерно со скоростью 400 км/сек. Это движение также обусловлено гравитационными силами.

Фоновое реликтовое излучение определяет некоторую выделенную систему отсчёта, связанную с всей барионной материей в наблюдаемой части Вселенной. В каком-то смысле движение относительно этого микроволнового фона - это движение относительно Вселенной в целом (не нужно путать это движение с разбеганием галактик!). Определить это движение возможно, измерив дипольную температурную анизотропию неравномерность реликтового излучения в разных направлениях . Такие измерения показали неожиданную и важную вещь: все галактики в ближайшей к нам части Вселенной, включая не только нашу Местную группу, но и скопление Девы и другие скопления, движется относительно фонового реликтового излучения с неожиданно большой скоростью. Для Местной группы галактик она составляет 600-650 км / сек с апексом в созвездии Гидра (α=166, δ=-27). Выглядит это так, что где-то в глубинах Вселенной существует еще необнаруженный огромный кластер многих сверхскоплений, притягивающий материю нашей части Вселенной. Этот гипотетический кластер был назван Великим Аттрактором .

Как определили скорость Местной группы галактик? Конечно, фактически астрономы измерили скорость Солнца относительно микроволнового реликтового фона: она оказалась ~390 км / с с апексом с координатами l = 265°, b = 50° (α=168, δ=-7) на границе созвездий Лев и Чаша . Потом определи скорость Солнца относительно галактик Местной группы (300 км/с, созвездие Ящерица). Вычислить скорость Местной группы уже не составило труда.

Планета Земля, Солнечная система , и все звёзды, видимые невооружённым глазом находятся вГалактике Млечный Путь , которая представляет из себя спиральную галактику с перемычкой, имеющая два ярко выраженных рукава начинающихся на концах перемычки.

Это было подтверждено в 2005 году космическим телескопом имени Лаймана Спитцера, который показал, что центральная перемычка нашей галактики является большей чем считалось ранее. Спиральные галактики с перемычкой — спиральные галактики с перемычкой («баром») из ярких звёзд, выходящей из центра и пересекающей галактику посередине.

Спиральные ветви в таких галактиках начинаются на концах перемычек, тогда как в обычных спиральных галактиках они выходят непосредственно из ядра. Наблюдения показывают, что около двух третьих всех спиральных галактик имеют перемычку. По существующим гипотезам, перемычки являются очагами звёздообразования, поддерживающими рождение звёзд в своих центрах. Предполагается, что посредством орбитального резонанса, они пропускают сквозь себя газ из спиральных ветвей. Этот механизм и обеспечивает приток строительного материала для рождения новых звёзд. Млечный Путь вместе с галактикой Андромеды (M31), Треугольника (М33), и более 40 меньшими галактиками-спутниками образуют Местную Группу Галактик, которая, в свою очередь, входит в Сверхскопление Девы. "Использование инфракрасного изображения с телескопа Spitzer НАСА, позволило ученым обнаружить, что элегантная спиральная структура Млечного Пути имеет только два преобладающих рукава от концов центрального бара звёзд. Ранее считалось, что наша галактика, обладает четырьмя основными рукавами ".

По сравнению с гало диск Галактики вращается заметно быстрее. Скорость его вращения не одинакова на различных расстояниях от центра. Она стремительно возрастает от нуля в центре до 200—240 км / с на расстоянии 2 тыс. световых лет от него, затем несколько уменьшается, снова возрастает примерно до того же значения и далее остается почти постоянной. Изучение особенностей вращения диска Галактики позволило оценить его массу, оказалось, что она в 150 миллиардов раз больше массы Солнца. Возраст Галактики Млечный Путь равен 13 200 млн лет, почти так же стара, как Вселенная. Млечный Путь является частью Местной группы галактик.

Вместе с другими звёздами Солнце вращается вокруг центра Галактики со скоростью 220—240 км / с, совершая один оборот примерно за 225-250 миллионов лет(что составляет один галактический год) . Таким образом, за все время существования Земля облетела вокруг центра Галактики не более 30 раз. Галактический год Галактики составляет 50 миллионов лет, Период обращения перемычки 15-18 миллионов лет. В окрестностях Солнца удается отследить участки двух спиральных рукавов, которые удалены от нас примерно на 3 тыс. световых лет. По созвездиям, где наблюдаются эти участки, им дали название рукав Стрельца и рукав Персея. Солнце расположено почти посередине между этими спиральными ветвями. Но сравнительно близко от нас (по галактическим меркам), в созвездии Ориона, проходит еще один, не очень четко выраженный рукав — рукав Ориона, который считается ответвлением одного из основных спиральных рукавов Галактики. Скорость вращения Солнца вокруг центра Галактики почти совпадает со скоростью волны уплотнения, образующей спиральный рукав. Такая ситуация является нетипичной для Галактики в целом: спиральные рукава вращаются с постоянной угловой скоростью, как спицы в колесах, а движение звезд происходит с другой закономерностью, поэтому почти все звездное население диска то попадает внутрь спиральных рукавов, то выпадает из них. Единственное место, где скорости звезд и спиральных рукавов совпадают — это так называемый коротационный круг, и именно на нем расположено Солнце. Для Земли это обстоятельство чрезвычайно важно, поскольку в спиральных рукавах происходят бурные процессы, образующие мощное излучение, губительное для всего живого. И никакая атмосфера не смогла бы от него защитить. Но наша планета существует в сравнительно спокойном месте Галактики и в течение сотен миллионов (или даже миллиардов) лет не подвергалась воздействию этих космических катаклизмов. Возможно именно поэтому на Земле смогла родиться и сохраниться жизнь, возраст которой насчитывается в 4,6 миллиарда лет. Схема расположения Земли во Вселенной в серии из восьми карт, которые показывают, слева направо, начиная с Земли, двигаясь в Солнечной системе , на соседние звездные системы, на Млечный Путь, на местные Галактические группы, на местные сверхскопления Девы , на нашем местном сверх скопления, и заканчивается в наблюдаемой Вселенной.

Солнечная система: 0,001 световых лет

Соседи в межзвездном пространстве

Млечный Путь: 100000 световых лет

Местные Галактические группы

Местное сверх скопление Девы

Местные сверх скопления галактик

Наблюдаемая Вселенная

Вы сидите, стоите или лежите, читая эту статью, и не ощущаете, что Земля вращается вокруг своей оси с бешеной скоростью - примерно 1 700 км/ч на экваторе. Однако скорость вращения не кажется такой уж быстрой, если перевести ее в км/с. Получится 0,5 км/с - едва заметная вспышка на радаре, в сравнении с другими окружающими нас скоростями.

Так же, как и другие планеты Солнечной системы, Земля вращается вокруг Солнца. И чтобы удерживаться на своей орбите, она двигается со скоростью 30 км/с. Венера и Меркурий, находящиеся ближе к Солнцу, двигаются быстрее, Марс, орбита которого проходит за орбитой Земли, движется намного медленнее нее.

Но даже Солнце не стоит на одном месте. Наша галактика Млечный Путь - огромная, массивная и тоже подвижная! Все звезды, планеты, газовые облака, частицы пыли, черные дыры, темная материя - все это движется относительно общего центра масс.

По предположениям ученых, Солнце находится на расстоянии 25 000 световых лет от центра нашей галактики и двигается по эллиптической орбите, совершая полный оборот каждые 220–250 млн лет. Получается, что скорость Солнца - около 200–220 км/с, что в сотни раз выше скорости движения Земли вокруг оси и в десятки раз выше скорости ее движения вокруг Солнца. Вот так выглядит движение нашей Солнечной системы.

Стационарна ли галактика? Снова нет. Гигантские космические объекты обладают большой массой, а следовательно, создают сильные гравитационные поля. Дайте Вселенной немного времени (а оно у нас было - примерно 13,8 миллиардов лет), и все начнет двигаться в направлении наибольшего притяжения. Вот почему Вселенная не однородна, а представляет собой галактики и группы галактик.

Что это означает для нас?

Это означает, что Млечный Путь тянут к себе другие галактики и группы галактик, расположенные поблизости. Это означает, что доминируют в этом процессе массивные объекты. И это означает, что не только наша галактика, но и все окружающие испытывают влияние этих «тягачей». Мы все ближе подходим к пониманию того, что происходит с нами в космическом пространстве, но нам все еще не хватает фактов, например:

• каковы были начальные условия, при которых зародилась Вселенная;
• как различные массы в галактике двигаются и изменяются со временем;
• как образовывался Млечный Путь и окружающие галактики и скопления;
• и как это происходит сейчас.

Однако есть трюк, который поможет нам разобраться.

Вселенную наполняет реликтовое излучение с температурой 2,725 К, которое сохранилось со времен Большого Взрыва. Кое-где есть крошечные отклонения - около 100 мкК, но общий температурный фон постоянен.

Это происходит потому, что Вселенная образовалась в результате Большого Взрыва 13,8 миллиардов лет назад и до сих пор расширяется и охлаждается.

Через 380 000 лет после Большого Взрыва Вселенная охладилась до такой температуры, что стало возможным образование атомов водорода. До этого фотоны постоянно взаимодействовали с остальными частицами плазмы: сталкивались с ними и обменивались энергией. По мере остывания Вселенной заряженных частиц стало меньше, а пространства между ними - больше. Фотоны смогли свободно перемещаться в пространстве. Реликтовое излучение - это фотоны, которые были излучены плазмой в сторону будущего расположения Земли, но избежали рассеяния, так как рекомбинация уже началась. Они достигают Землю сквозь пространство Вселенной, которая продолжает расширяться.

Вы сами можете «увидеть» это излучение. Помехи, которые возникают на пустом канале телевизора, если вы используете простую антенну, похожую на заячьи уши, на 1% вызваны реликтовым излучением.

И все-таки температура реликтового фона не одинакова во всех направлениях. По результатам исследований миссии Planck, температура несколько различается в противоположных полушариях небесной сферы: она немного выше на участках неба южнее эклиптики - около 2,728 K, и ниже в другой половине - около 2,722 K.

Эта разница почти в 100 раз больше остальных наблюдаемых колебаний температуры реликтового фона, и это вводит в заблуждение. Почему так происходит? Ответ очевиден - эта разница происходит не из-за флуктуаций реликтового излучения, она появляется, потому что есть движение!

Когда вы приближаетесь к источнику света или он приближается к вам, спектральные линии в спектре источника смещаются в сторону коротких волн (фиолетовое смещение), когда отдаляетесь от него или он от вас - спектральные линии смещаются в сторону длинных волн (красное смещение).

Реликтовое излучение не может быть более или менее энергичным, значит, мы движемся сквозь пространство. Эффект Доплера помогает определить, что наша Солнечная система движется относительно реликтового излучения со скоростью 368 ± 2 км/с, а местная группа галактик, включающая Млечный Путь, галактику Андромеды и галактику Треугольника, движется со скоростью 627 ± 22 км/с относительно реликтового излучения. Это так называемые пекулярные скорости галактик, которые составляют несколько сотен км/с. Помимо них существуют еще космологические скорости, обусловленные расширением Вселенной и рассчитываемые по закону Хаббла.

Благодаря остаточному излучению от Большого Взрыва мы можем наблюдать, что во Вселенной постоянно все движется и изменяется. И наша галактика - лишь часть этого процесса.

Наверняка, многие из вас видели гифку или смотрели видео, показывающее движение Солнечной системы.

Ролик , вышедший в 2012 году, стал вирусным и наделал много шума. Мне он попался вскоре после его появления, когда я знал о космосе гораздо меньше, чем сейчас. И больше всего меня смутила перпендикулярность плоскости орбит планет направлению движения. Не то, чтобы это было невозможно, но Солнечная система может двигаться под любым углом к плоскости Галактики. Вы спросите, зачем вспоминать давно забытые истории? Дело в том, что именно сейчас, при желании и наличии хорошей погоды, каждый может увидеть на небе настоящий угол между плоскостями эклиптики и Галактики.

Проверяем ученых

Но сама по себе цифра скучна, да и сейчас, когда на обочине науки адепты плоской Земли, хочется иметь простую и наглядную иллюстрацию. Давайте подумаем, как мы можем увидеть плоскости Галактики и эклиптики на небе, желательно невооруженным взглядом и не отдаляясь далеко от города? Плоскость Галактики - это Млечный путь, но сейчас, с изобилием светового загрязнения, увидеть его не так просто. Есть ли какая-то линия, примерно близкая к плоскости Галактики? Есть - это созвездие Лебедя. Оно хорошо видно даже в городе, а найти его просто, опираясь на яркие звезды: Денеб (альфа Лебедя), Вегу (альфа Лиры) и Альтаир (альфа Орла). "Туловище" Лебедя примерно совпадает с галактической плоскостью.

Хорошо, одна плоскость у нас есть. Но как получить наглядную линию эклиптики? Давайте подумаем, что такое вообще эклиптика? По современному строгому определению эклиптика - это сечение небесной сферы плоскостью орбиты барицентра (центра массы) Земля-Луна. По эклиптике в среднем движется Солнце, но у нас нет двух Солнц, по которым удобно построить линию, да и созвездие Лебедя при солнечном свете не будет видно. Но если вспомнить, что планеты Солнечной системы тоже движутся приблизительно в той же плоскости, то, получается, что парад планет как раз примерно покажет нам плоскость эклиптики. И сейчас в утреннем небе как раз можно наблюдать Марс, Юпитер и Сатурн.

В результате, в ближайшие недели утром до восхода Солнца можно будет очень наглядно видеть вот такую картину:

Которая, как это ни удивительно, прекрасно согласуется с учебниками астрономии.

А гифку правильнее рисовать так:

Источник: сайт астронома Rhys Taylor rhysy.net

Вопрос может вызвать взаимное положение плоскостей. Летим ли мы <-/ или же <-\ (если смотреть с внешней стороны Галактики, северный полюс вверху)? Астрономия говорит, что Солнечная система движется относительно ближайших звезд в направлении созвездия Геркулеса, в точку, расположенную недалеко от Веги и Альбирео (бета Лебедя), то есть правильное положение <-/.

Но этот факт, увы, "на пальцах" не проверить, потому что, пусть и сделали это двести тридцать пять лет назад, но использовали результаты многолетних астрономических наблюдений и математику.

Разбегающиеся звезды

На гифке показано перемещение звезды Барнарда, имеющей самое большое собственное движение. Уже в 18 веке у астрономов появились записи положения звезд на промежутке в 40-50 лет, которые позволили определить направление движения более медленных звезд. Тогда английский астроном Уильям Гершель взял звездные каталоги и, не подходя к телескопу, стал вычислять. Уже первые расчеты по каталогу Майера показали, что звезды движутся не хаотично, и апекс можно определить.

Источник: Hoskin, M. Herschel"s Determination of the Solar Apex, Journal for the History of Astronomy, Vol. 11, P. 153, 1980

А с данными каталога Лаланда область удалось серьезно уменьшить.

Оттуда же

Дальше пошла нормальная научная работа - уточнение данных, расчеты, споры, но Гершель использовал правильный принцип и ошибся всего на десять градусов. Информацию собирают до сих пор, например, всего тридцать лет назад скорость движения уменьшили с 20 до 13 км/с. Важно: эту скорость нельзя путать со скоростью солнечной системы и других ближайших звезд относительно центра Галактики, которая равна примерно 220 км/с.

Еще дальше

Т.е. Солнечная система движется относительно центра Галактики в направлении созвездия Лебедя, а относительно местных звезд в направлении созвездия Геркулеса, под углом 63° к галактической плоскости, <-/, если смотреть с внешней стороны Галактики, северный полюс сверху.

Космический хвост

Иллюстрация NASA

Для других звезд мы можем видеть астросферы (пузыри звездного ветра) непосредственно.

Фото NASA

Позитив напоследок