Сергей Попов - Вселенная. Краткий путеводитель по пространству и времени: от Солнечной системы до самых далеких галактик и от Большого взрыва до будущего Вселенной

Большая часть массивных галактик вне крупных скоплений являются спиральными. Мощные спиральные рукава (иногда их еще называют ветвями) галактик, подобных нашей, содержат большое количество массивных звезд с большой светимостью, крупные комплексы ионизованного водорода, а также массивные молекулярные облака. Все вместе указывает на то, что такие рукава – это области активного звездообразования [9] Диски галактик, содержащие очень мало холодного газа, а следовательно, и молодых звезд, тоже иногда имеют спиральную структуру. Она связана с уплотнением старого звездного населения диска и всегда более размыта и слабо контрастна по причине отсутствия областей звездообразования. .

Хотя по фотографиям может показаться, что в рукавах плотность звезд существенно выше, на самом деле это не так. Плотность там обычно повышена лишь очень незначительно. Дело именно в наличии очень ярких, как правило, короткоживущих объектов, что связано с повышенной плотностью газа. Наличие спиралей обычно существенно не повышает полный темп формирования звезд в галактике, но локализует его именно в рукавах.

Спиральные рукава – области активного формирования звезд.

Выделяют несколько типов спиральных галактик. При классификации их форм существенными являются разнообразные морфологические детали. Во-первых, важно, есть ли у галактики бар – центральная перемычка, возникающая во внутренней части диска из-за перестройки орбит звезд. Во-вторых, насколько сильно закручены спирали. В-третьих, структура самих спиральных ветвей может быть различной. Например, существуют галактики с большим количеством мелких (флоккулентных) рукавов (как NGC 2841), многорукавные галактики (как М33) и, наконец, галактики с парой мощных рукавов (grand design, которые еще иногда называют упорядоченными), охватывающих весь диск (как М51). Наличие более мощных и протяженных рукавов может сочетаться с присутствием менее заметных и протяженных (как это, видимо, происходит в нашей Галактике). Разные типы рукавов имеют разное происхождение.

Рассматривают три механизма: волны плотности, локальные неустойчивости и возмущения [10] Иными словами, образование локальных неоднородностей (например, связанных с локальными неустойчивостями диска), которые растягиваются в спиралевидные отрезки дифференциальным вращением. , приливные воздействия (сюда же можно отнести не только влияние соседних галактик, но и воздействие бара или неосесимметричного (трехосного) балджа или гало темного вещества). Эти механизмы не исключают друг друга. Однако обычно локальные возмущения и неустойчивости связаны с флоккулентными спиралями, а упорядоченные спирали – с приливным воздействием или влиянием галактического бара, и они описываются теорией волн плотности.

Спиральные структуры галактик могут по-разному выглядеть в разных диапазонах спектра. При этом происхождение (механизм генерации) спиралей, видимых в разных диапазонах, может быть разным. Различные типы рукавов могут обладать и разными кинематическими свойствами.

Существует несколько типов спиральных рукавов и механизмов их формирования.

Спиральный узор вращается в ту же сторону, что и звезды диска, но их угловые скорости могут не совпадать. Обычно спирали являются отстающими – движение звезд диска направлено в ту же сторону, куда обращена выпуклость спирали (а внешние концы спиралей направлены назад). Примером исключений из этого правила является галактика NGC 4622, внешние спирали которой направлены внешними концами по ходу вращения диска (у этой галактики есть также внутренний рукав, ориентированный обычным образом относительно движения звезд диска). Ближе к центру галактики (внутри радиуса коротации – расстояния, на котором угловые скорости спирального узора и звезд совпадают) скорость вращения звезд диска превышает скорость движения рукавов. Соответственно, звезды и газ обычно входят в рукав с внутренней (вогнутой) стороны. Снаружи от радиуса коротации наблюдается обратная картина.

Наблюдения не могут показать динамику (изменения) спирального узора, поскольку характерные времена этого процесса очень велики. Поэтому модели генерации и эволюции спиралей в основном изучаются сейчас методами компьютерного моделирования. Однако итоги сравнения результатов этого моделирования с наблюдениями галактических структур довольно противоречивы.

Большинство механизмов возникновения рукавов так или иначе связано с волнами плотности. В соответствии с этой гипотезой спиральные ветви представляют собой уплотнения в межзвездной среде и распределении звезд. В результате тех или иных причин возникает область спиральной формы, обладающая более сильным гравитационным потенциалом, притягивающая звезды и газ. Она распространяется по диску галактики, сохраняя свою форму, а в ее поддержании в разные моменты времени участвуют разные звезды (подобно тому как в движении волн по воде участвуют разные молекулы, не перемещающиеся вместе с волной). Повышенная плотность среды приводит к тому, что в рукавах чаще происходят столкновения молекулярных облаков. Также облака с большей вероятностью становятся нестабильными относительно формирования звезд именно в рукавах. Таким образом, ключевым результатом действия многих механизмов образования спиральной структуры является собирание газа в рукава.

Наблюдения взаимодействующих галактик показывают, что приливное взаимодействие между ними приводит к генерации рукавов как непосредственно в дисках, так и в виде перемычек, соединяющих галактики, приливных хвостов и других внешних деталей. При слияниях самые внешние рукава могут действительно представлять собой сильные уплотнения в распределении звезд и газа, которые были сформированы приливными силами. Такие образования могут сохраняться миллиарды лет. Однако рукава во внутренних областях дисков, возникающие при взаимодействии галактик, по всей видимости, являются волнами плотности. Расчеты показывают, что после мощных взаимодействий спирали могут жить более миллиарда лет.

В отличие от упорядоченных спиралей, флоккулентные рукава, по всей видимости, обычно представляют собой локальные явления, связанные с неустойчивостями или взаимодействиями в межзвездной среде. Мелкие спиралевидные образования непрерывно рождаются и исчезают за десятки миллионов лет. Для возникновения таких рукавов наличие внешних возмущений (слияния, наличие бара и т. п.), как правило, не является существенным.

Яркость спиралей объясняется наличием массивных звезд высокой светимости.