Спиральные галактики

В отличие от эллиптических галактик, для спиральных характерно наличие диска и балджа (утолщения). Спиральные рукава уступают диску и балджу по количеству содержащихся в них звезд, хотя и являются важными и выдающимися частями галактики. Диск спиральной галактики довольно плоский. Видимые с ребра галактики говорят о том, что толщина типичного диска составляет около 1/10 его диаметра. В нашей собственной Галактике, где мы можем вести подсчет звезд в диске и измерять его толщину, оказалось, что звездное население быстро редеет и на высоте 3000 световых лет над плоскостью галактики становится весьма разреженным. Это в особенности справедливо для самых молодых звезд и сырья (газа и пыли), находящегося в ожидании формирования будущих звезд. У спиральных галактик хорошо заметно плоское спиральное распределение яркости вокруг утолщенного ядра. Идеальные спиральные галактики имеют две спиральные ветви (рукава). исходящие либо прямо из ядра, либо из двух концов бара (перемычки), в центре которого расположено ядро.

Этот признак позволил разделить спиральные галактики на два основных подтипа: нормальные спиральные галактики (S) и пересеченные спиральные галактики (SB). Нормальных спиральных галактик во много раз больше, чем пересеченных. Дальнейшее разделение спиральных галактик на подтипы проводится по следующим трем критериям: 1) относительной величине ядра по сравнению с размерами всей галактики: 2) по тому, насколько сильно или слабо закручены спиральные ветви и 3) фрагментарности спиральных ветвей. У всех спиральных галактик ядро представляет собой яркую область, обладающую многими признаками эллиптической галактики. Закон падения яркости, открытый Хабблом для эллиптических галактик, оказался справедливым и для центральных ядерных областей спиральных галактик и поэтому эти области иногда называют "эллиптическим компонентом".

Во второй половине 40-х годов ХХ века У. Бааде (США) установил, что клочковатость спиральных ветвей и их голубизна растут с повышением содержания в них горячих голубых звезд, их скоплений и диффузных туманностей. Центральные части спиральных галактик желтее, чем ветви и содержит старые звезды (население второго типа, по Бааде, или население сферической составляющей), тогда как плоские спиральные ветви состоят из молодых звезд (население первого типа, или население плоской составляющей). Данные измерений распределения яркости в дисках спиральных галактик обнаруживают очень важное сходство - это обстоятельство хорошо задокументировано, но до сих пор не получило удовлетворительного объяснения. Яркость весьма регулярным образом падает по мере удаления от центра в соответствии с универсальной математической зависимостью, которая, однако, отличается от аналогичной зависимости для эллиптических галактик. Наблюдаемые свойства галактических дисков находят естественное объяснение в созданных на ЭВМ моделях быстро вращающихся звездных систем. Рассмотрим описанную выше эллиптическую галактику. Если ее протогалактическому газовому облаку придать быстрое вращение еще до образования большинства звезд, то облако приобретет плоскую форму, и распределение звезд будет напоминать диск спиральной галактики. Таким образом, оказывается, что основное структурное отличие эллиптических галактик от спиральных состоит в скорости исходного вращения.

Например, в Млечном Пути первыми должны были образоваться звезды в центральном балдже, которые сейчас являются старейшими. Оставшийся газ сколлапсировал в плоскость, где медленно образовывались и вращались вместе с газом другие звезды. Этот тонкий плоский диск стал местом большей части последующих активных событий в нашей Галактике: звезды, гигантские молекулярные облака, облака возбужденного газа и крупномасштабные спиральные узоры - все это развивалось здесь, в запутанной структуре, бросающей сейчас вызов нашим теоретическим моделям. Спиральные галактики не выглядели бы особенно интересными без своей спиральной структуры - без нее они бы, разумеется, не были спиральными Галактиками, но все обстоит еще хитрее. Если спиральная галактика образуется потому, что вращение заставляет газ коллапсировать на плоскость, то спиральная форма рукавов кажется естественным результатом - вроде узора, образуемого сливками, которые наливают при помешивании в чашку кофе, или вроде воды, уходящей через сток. Эти ситуации не являются строгими аналогами галактики, но хорошо иллюстрируют закономерность: где есть вращение, там обычно бывает и спиральная структура. Поэтому на протяжении многих лет астрономов особенно не беспокоила спиральная форма многих галактик - она казалась совершенно естественной.

По-видимому, самым аккуратным и элегантным для спиральных галактик является объяснение, известное под названием теории волн плотности. После развития шведским астрономом Бертилом Линдбладом многих связанных с ней теоретических идей, теория волн плотности была полностью разработана и успешно применена в 60-х годах к галактикам Ц. Ц. Лином и его студентами в Массачусетсском технологическом институте. Они показали, используя математический анализ устойчивости плоского звездного диска, что отклонение от регулярной формы в начальном распределении газа может стать устойчивым и постепенно превратиться в двухрукавный спиральный узор, вращающийся значительно медленнее звезд. Входя в рукав, звезды на время замедляются, что приводит к повышенной плотности в рукаве, а потом продолжают движение за фронтом волны. На границе фронта должна возникать ударная волна в газе, которая может вызвать процесс звездообразования, и поэтому в некоторых галактиках наблюдается концентрация активных газовых облаков и новообразованных звезд в рукавах. Форма спиральных рукавов в рамках этой гипотезы очень похожа на форму реальных спиральных рукавов в небольшом количестве галактик с "совершенной" спиральной структурой. Однако она не подходит для описания более распространенного типа галактике чрезвычайно несовершенными рукавами - фрагментарными, размытыми и нечеткими. Теория, лучше всего применимая в случае таких галактик опирается на действие весьма простых искажений любой структуры, вызываемых дифференциальным вращением галактики. Вместо наличия постоянно существующего набора рукавов эта гипотеза предсказывает непрерывное рождение и распад спиральных сегментов.

Существует, однако, еще одна возможность. Любое возмущение диска может приводить к скоплению газа, что будет проявляться в виде спиральных рукавов или спиральных сегментов. Возмущение может исходить извне или же изнутри - из собственного ядра галактики. Одна из возможностей первого типа состоит в том, что межзвездный газ может втекать в галактику, образуя спиральные рукава. Эта гипотеза не очень привлекательна, так как газ будет преимущественно со стороны полюсов, где нет достаточного количества другого газа для столкновения, и известно очень мало случаев, когда спиральные рукава не лежат в плоскости диска. Более привлекательным внешним агентом может быть приливное воздействие других галактик при близких прохождениях. Приливы, порождаемые близкими прохождениями, почти столкновениями - воздействуют на звезды и газ и могут исказить форму галактики в достаточной степени для возникновения неправильных образований, которые в ходе вращения приобретут спиральную форму. Это красивая идея, но ее недостаток - в необходимости близкого прохождения другой галактики. К сожалению, расстояния между галактиками слишком велики, чтобы этот механизм мог быть эффективным в большинстве случаев. Однако в том, что касается прохождений галактик вблизи друг друга, нас могут ожидать сюрпризы. Недавние определения темпов звездообразования показывают. что в близко расположенных друг к другу галактиках темп звездообразования аномально велик - особенно в ядрах. Может быть, окажется, что приливные эффекты включаются гораздо легче, чем мы сейчас думаем.