Страница 398 - гдз по физике 11 класс учебник Мякишев, Буховцев

В галактиках каких типов возможно рождение новых звёзд? Какие наблюдения подтверждают это?

В галактиках каких типов возможно рождение новых звёзд?

Рождение новых звёзд, или звездообразование, является активным процессом в тех галактиках, которые содержат достаточное количество «строительного материала» — холодного межзвёздного газа и пыли. Исходя из этого, звездообразование возможно в следующих типах галактик:

• Спиральные галактики (включая галактики с перемычкой, или баром): Эти галактики, к которым относится и наш Млечный Путь, обладают выраженными спиральными рукавами. Именно в этих рукавах сосредоточены гигантские газопылевые облака, где под действием гравитации сжимаются и зажигаются новые звёзды. Плотность газа и пыли в рукавах выше, что и провоцирует активное звездообразование.
• Неправильные (иррегулярные) галактики: Эти галактики не имеют чёткой структуры, но они, как правило, очень богаты газом и пылью. В них часто наблюдаются бурные вспышки звездообразования, которые могут быть вызваны гравитационным взаимодействием с соседними галактиками.

В эллиптических и линзовидных галактиках процессы звездообразования практически отсутствуют. Эти галактики состоят в основном из старых звёзд и содержат очень мало газа и пыли, так как этот материал был либо израсходован на ранних этапах их эволюции, либо утерян в результате галактических взаимодействий.

Ответ: Рождение новых звёзд возможно в спиральных и неправильных галактиках.

Какие наблюдения подтверждают это?

Факт продолжающегося звездообразования в спиральных и неправильных галактиках подтверждается целым рядом астрономических наблюдений в различных диапазонах электромагнитного спектра:

• Наличие молодых горячих звёзд: В спиральных рукавах и в неправильных галактиках наблюдаются скопления молодых, массивных и очень горячих звёзд (спектральных классов O и B). Эти звёзды имеют голубой цвет и очень короткое время жизни (несколько миллионов лет). Их присутствие однозначно указывает на то, что они сформировались совсем недавно.
• Эмиссионные туманности (зоны H II): Молодые горячие звёзды своим мощным ультрафиолетовым излучением ионизируют окружающий их водород, заставляя его светиться. Такие области называются зонами H II или эмиссионными туманностями. Их характерное красное свечение (в линии H-альфа) является верным признаком «звёздных яслей». Яркие примеры — туманность Ориона в нашей Галактике или туманность Тарантул в Большом Магеллановом Облаке.
• Наблюдения в инфракрасном диапазоне: Процесс формирования звёзд происходит внутри плотных и холодных газопылевых облаков, которые непрозрачны для видимого света. Однако молодые звёзды (протозвёзды) нагревают окружающую их пыль, которая начинает интенсивно излучать в инфракрасном диапазоне. Поэтому области активного звездообразования являются мощными источниками ИК-излучения, что фиксируется инфракрасными телескопами.
• Наблюдения в радиодиапазоне: С помощью радиотелескопов астрономы обнаруживают гигантские молекулярные облака, состоящие в основном из молекулярного водорода и других молекул (например, угарного газа CO). Именно эти облака являются сырьём для будущих звёзд. Картирование распределения таких облаков показывает, что они сосредоточены именно в спиральных рукавах и неправильных галактиках.

Эти наблюдения в совокупности создают целостную картину, подтверждающую, что спиральные и неправильные галактики являются активными «фабриками» по производству звёзд, в отличие от «пассивных» эллиптических галактик.

Ответ: Наличие молодых горячих звёзд голубого цвета, эмиссионных туманностей (зон ионизированного водорода), мощное инфракрасное излучение от пыли, нагретой молодыми звёздами, а также обнаружение гигантских молекулярных облаков с помощью радиотелескопов.

Почему радиоизлучение от обычных галактик мало?

Радиоизлучение от обычных, или «спокойных», галактик, таких как наш Млечный Путь, значительно слабее по сравнению с излучением активных галактик (радиогалактик, квазаров). Это объясняется природой и масштабом физических процессов, генерирующих радиоволны.

В обычной галактике существует два основных источника радиоизлучения.

Первый источник — тепловое излучение. Оно исходит от областей ионизированного водорода (зон HII), где горячий газ и плазма окружают молодые массивные звезды. Эти области излучают, но их температура (около $10^4$ К) слишком низка для генерации мощного радиоизлучения. Основная энергия излучается в оптическом и ультрафиолетовом диапазонах, а на долю радиодиапазона приходится лишь незначительная часть. К тому же, общий объем таких зон невелик.

Второй и основной источник — нетепловое (синхротронное) излучение. Оно возникает, когда электроны, разогнанные до околосветовых скоростей (релятивистские электроны), движутся по спиральным траекториям в магнитных полях галактики. Главными «ускорителями» таких электронов в спокойных галактиках служат остатки вспышек сверхновых. Однако мощность этого излучения напрямую зависит от энергии электронов и напряженности магнитного поля. В обычных галактиках и магнитные поля относительно слабы (порядка нескольких микрогаусс), и концентрация высокоэнергетических электронов невелика. Поэтому и синхротронное излучение оказывается слабым.

В отличие от этого, в активных галактиках радиоизлучение генерируется принципиально иным, гораздо более мощным механизмом. В их центрах находятся сверхмассивные черные дыры, активно поглощающие вещество (аккрецирующие). Этот процесс питает энергией гигантские релятивистские джеты — струи плазмы, которые выбрасываются из центра на сотни тысяч световых лет. В этих джетах и магнитные поля, и энергия частиц на много порядков выше, чем в диске обычной галактики. Именно они производят чрезвычайно интенсивное синхротронное радиоизлучение, делая галактику «радиогромкой».

Таким образом, слабость радиоизлучения обычных галактик обусловлена отсутствием у них центрального «мотора» в виде активно аккрецирующей сверхмассивной черной дыры, которая порождает мощные джеты. Радиосветимость обычных галактик определяется гораздо менее масштабными локальными процессами, связанными со жизненным циклом звезд.

Ответ: Радиоизлучение от обычных галактик мало, так как в них отсутствуют сверхмощные источники, характерные для активных галактик. Его генерируют два относительно слабых механизма: 1) тепловое излучение от небольших по объему областей горячего ионизированного газа и 2) преобладающее синхротронное излучение, которое возникает из-за движения релятивистских электронов в слабых магнитных полях галактики. В отличие от них, в радиогромких активных галактиках мощнейшее радиоизлучение создается гигантскими плазменными джетами, питаемыми энергией сверхмассивной черной дыры в центре.