Спиральные ветви галактик
Спира́льные ве́тви гала́ктик (спиральные рукава галактик), структурные детали дисков галактик, имеющие вид спиралей или многочисленных спиралевидных фрагментов.
Первой галактикой, у которой были обнаружены спиральные ветви, стала галактика № 51 из каталога Ш. Мессье (современные обозначения – М51 или NGC 5194). Спиральную структуру этой галактики изобразил на рисунке (рис. 1) известный наблюдатель и строитель крупных зеркальных телескопов лорд Росс (У. Парсонс), рассматривая её в 1845 г. в построенный им крупнейший телескоп своего времени «Левиафан». Галактики – объекты очень низкой поверхностной яркости, и различить их внутреннюю структуру при визуальных наблюдениях в телескоп очень сложно. Когда начались массовые фотографические наблюдения, выяснилось, что спиральная структура характерна для большинства наблюдаемых галактик.
Рис. 1. Рисунок галактики М51 (Водоворот), выполненный лордом Россом по наблюдениям на телескопе «Левиафан». Иллюстрация из статьи: The Earl of Rosse. Observations on the Nebulae // Proceedings of the Royal Society of London, Philosophical Transactions of the Royal Society.1850. P. 499–514. Fig. 1.Как правило, спиральные ветви галактик представляют собой области концентрации газово-пылевой межзвёздной среды и молодых звёзд, которые в этой среде рождаются. Поэтому эти области выделяются повышенной яркостью и более голубым цветом по сравнению с диском, в котором находятся. Однако они могут включать в себя и старое звёздное население диска. Часто вдоль спиралей тянутся тёмные неровные пылевые прожилки, связанные с уплотнениями межзвёздной среды.
Спиральной структурой обладает бо́льшая часть всех массивных галактик со звёздным диском, включая нашу Галактику. Наиболее яркие и контрастные спиральные ветви имеют галактики, в дисках которых содержится много межзвёздного газа. При этом в маломассивных галактиках, относящихся к типу неправильных, чёткий спиральный узор отсутствует, несмотря на наличие межзвёздного газа. Спиральный узор редко прослеживается до самого центра галактики. Он также не охватывает весь звёздный диск – слабые продолжения звёздных дисков могут наблюдаться на таких расстояниях от центра, где спиральный узор уже не заметен.
Типы спиральных ветвей
Узоры, образуемые спиральными ветвями в различных галактиках, очень разнообразны по форме и контрастности. Их угол закрутки (угол между касательной к спиральной ветви и прямой, перпендикулярной направлению на центр галактики) обычно составляет от нескольких градусов до 40–50 °. Спиральный узор редко бывает ровным: он неоднороден по яркости, часто наблюдаются ответвления от основных спиральных рукавов. На большом расстоянии от центра галактики спирали, как правило, ветвятся и спиральный узор теряет свою чёткую форму. Спиральные ветви в галактиках отличаются также по степени «гладкости» или структурности (клочковатости). Неровный, клочковатый вид спиралям придают яркие протяжённые области звездообразования и участки с большим поглощением света из-за межзвёздной пыли.
Рис. 2. Спиральная галактика M101. Фото: космический телескоп «Хаббл».Вид спиральных ветвей положен в основу морфологической классификации спиральных галактик, согласно которой их принято достаточно условно разделять на типы Sa, Sb, Sc, Sd и промежуточные подтипы (классификация Э. Хаббла). Вдоль этой последовательности типов – от Sa к Sс и Sd – спиральные ветви выглядят всё более клочковатыми и характеризуются более высоким углом закрутки, т. е. становятся более распрямлёнными. Более закрученные и более «гладкие» спирали наблюдаются, как правило, в галактиках со сравнительно низким содержанием газа и молодых звёзд. Встречается немало галактик, спиральная структура которых не укладывается в стандартную классификационную схему. Например, спирали могут быть очень асимметричными, не образовывать чёткого узора или иметь различную форму на разном расстоянии от центра, а в некоторых случаях спирали вырождаются в кольцо вокруг центра или на периферии диска.
Рис. 3. Двухрукавная спиральная галактика М51 (NGC 5194, Водоворот) с галактикой-спутником NGC 5195. Фото: космический телескоп «Хаббл».По степени упорядоченности, симметрии спиральной структуры галактики также сильно различаются между собой. У некоторых галактик отчётливо выделяются на общем неровном фоне несколько (чаще всего две) длинных, более или менее симметрично расположенных спиралей, которые легко прослеживаются на четверть оборота или более. Такой спиральный узор называют упорядоченным (в английском языке используется выражение Grand Design, что переводится как «главная структура»). Примером могут быть яркие ветви галактик М101 или М51 (рис. 2, 3). Подобные галактики с чёткими симметричными спиральными ветвями встречаются не так часто, причём в большинстве случаев это галактики с перемычками (барами) или с близкими и достаточно массивными спутниками. Если же спиральная структура на фотографии распадается на многочисленные короткие дуги или спиралевидные фрагменты по всему диску, а непрерывные протяжённые спиральные ветви не прослеживаются, то такой спиральный узор называется флоккулентным (англ. flocculent – волокнистый). Примером является галактика NGC 2775 (рис. 4).
Рис. 4. Галактика NGC 2775 с флоккулентной спиральной структурой. Фото: космический телескоп «Хаббл».Упорядоченный узор в галактиках встречается реже, чем флоккулентный, но, как правило, в галактиках наблюдается сочетание этих двух типов структуры: даже длинные и симметричные спиральные ветви (Grand Design) могут сосуществовать с более мелкими неупорядоченными фрагментами спиральной структуры, что хорошо видно на рис. 2 и 3.
Состав спиральных ветвей
Спиральные ветви включают в себя и звёзды, и газ, но яркие спирали – это прежде всего области с повышенной концентрацией молодых звёзд и их скоплений с возрастом, не превышающим несколько десятков миллионов лет, а также холодного межзвёздного газа (в основном это атомарный и молекулярный водород), из которого эти звёзды рождаются. Газ и молодые звёзды существуют и между ветвями, но их концентрация в спиральных ветвях значительно выше.
Более высокая плотность газа в спиральных ветвях стимулирует звездообразование. Именно наличие молодых ярких звёзд является основной причиной повышенной яркости ветвей. К тому же недавно возникшие горячие звёзды создают вокруг себя области ионизованного газа, спектр которых содержит линии излучения различных химических элементов.
Рис. 5. Изображение спиральной галактики M81 в ультрафиолетовых лучах. Фото: космический телескоп GALEX.Наиболее контрастно спиральные ветви выглядят в ультрафиолетовой области спектра, где большой вклад в излучение принадлежит горячим звёздам (рис. 5), и в сильных эмиссионных линиях газа, связанных с жёстким ультрафиолетовым излучением этих звёзд. Отчётливо проявляются спирали и в линиях излучения межзвёздного газа, прежде всего нейтрального водорода (в радиодиапазоне на длине волны 21 см) и молекул (например, молекул угарного газа, СО). В тех галактиках, где межзвёздный газ в звёздных дисках отсутствует или его очень мало, спиральных ветвей либо совсем нет (линзовидные галактики), либо они выглядят на снимках слабоконтрастными.
Спиральные ветви состоят не только из газа и молодых звёзд. С повышенной плотностью газа связана также более высокая концентрация межзвёздной пыли и межзвёздного магнитного поля с магнитной индукцией порядка миллионной доли гаусса (~10–10 Тл).
Спиральные ветви прослеживаются и в инфракрасном свете, где они выглядят более гладкими и менее контрастными. В этом диапазоне наиболее существенный вклад вносят старые звёзды диска возрастом в миллиарды лет. Эти звезды также концентрируются в области спиральных ветвей, но значительно слабее, чем газ. А в далёкой инфракрасной области спектра (десятки и сотни микрон) спирали бывают отчётливо видны по излучению межзвёздной пыли, нагретой на несколько десятков кельвинов благодаря поглощению света звёзд.
Проблема закручивания спиральных ветвей
Звёзды и газ в спиральных ветвях участвуют в общем вращении диска галактики. В абсолютном большинстве случаев (хотя есть редкие исключения) спиральные ветви вращаются, двигаясь «концами назад» – внешние области «отстают» от внутренних. Такой спиральный узор называется закручивающимся.
Спиральные галактики вращаются так, что период обращения звёзд и газа вокруг центра не остаётся одинаковым по всему диску, а меняется (возрастает) с расстоянием от центра вращения. Подобный характер вращения называется дифференциальным, в отличие от «твердотельного» вращения, когда период вращения на всех расстояниях от центра одинаков, а значит, вращение происходит с одной угловой скоростью, как если бы диск был жёстким. Но если вращение дифференциально, то более далёкие от центра области спиральных ветвей будут всё время отставать от внутренних областей, что должно приводить к быстрому закручиванию спиралей и полному «размазыванию» спирального узора за 1–2 оборота диска. Казалось бы, из-за этого спирали давно должны были бы исчезнуть. Однако спиральный узор очень широко распространён в галактиках, несмотря на то что за время жизни галактик их диски совершили десятки оборотов.
Для объяснения этого факта может быть предложено 2 варианта: либо спиральные ветви – это совокупность отдельных областей с небольшим временем жизни, которые непрерывно рождаются, растягиваются в короткие дуги и исчезают, затухая, так что в целом картина остаётся той же; либо спирали долго сохраняются, потому что спиральный узор вращается «твердотельно» (или почти «твердотельно»), несмотря на дифференциальное вращение диска, в котором он наблюдается. Последний вариант означает, что спиральный узор не «скреплён» жёстко с диском, как нарисованный, а перемещается по нему, сохраняя постоянный (или почти постоянный) период вращения, что спасает ветви от закручивания и быстрого разрушения и делает их долгоживущими образованиями. В этом случае спирали принято считать волновыми образованиями, которые связаны с распространением в диске волн, уплотняющих среду.
Как показали исследования, могут реализовываться оба приведённых варианта. Если первый вариант лучше подходит для описания флоккулентных спиральных ветвей, где наблюдается множество коротких спиралеподобных, вытянутых в дуги областей, то для описания упорядоченной спиральной структуры с протяжёнными спиральными ветвями годится лишь более сложный второй вариант.
Механизмы образования спиральных ветвей
В рамках теории волн плотности спиральные ветви рассматриваются как результат упорядоченных колебательных движений звёзд и газа, распространяющихся в плоскости вращающегося диска в виде волн, которые периодически то сжимают, то разреживают среду. Эти волны плотности перемещаются по диску и вращаются вместе с ним, но только, в отличие от диска, с примерно постоянной угловой скоростью, поэтому дифференциальное вращение галактики не разрушает спиральную структуру. При этом звёзды и газ в диске периодически проходят сквозь спиральные ветви, какое-то время двигаясь внутри них (рис. 6). Но угловая скорость вращения диска всегда уменьшается с расстоянием от центра, и на каком-то расстоянии она становится равна угловой скорости спирального узора. На этом расстоянии, называемом радиусом коротации, угловые скорости диска и спиральных ветвей совпадают, а звёзды и газ в волне плотности испытывают лишь колебательные движения, то немного ускоряя, то замедляя скорость своего вращения. При этом волны плотности в звёздной и газовой среде диска могут распространяться и за пределами круга коротации.
Рис. 6. Возможная траектория движения отдельной звезды в галактике (красная линия) в системе отсчёта, вращающейся вместе со спиральной структурой. Репродукция иллюстрации из статьи: Contopoulos G. The spiral arms of galaxies // arXiv.org. 2022.Как в любой механической волне, в спиральной волне плотности чередуются процессы сжатия и разрежения среды. Сильнее всего волна сжимает холодный межзвёздный газ. Его уплотнение вдоль протяжённого фронта волны способствует рождению звёзд в газовых облаках, что и объясняет наблюдаемую повышенную концентрацию газа и областей звездообразования в спиральных ветвях.
Выводы из теории волн плотности не вступают в конфликт с наблюдениями. Хотя мы не можем непосредственно наблюдать перемещение волны по диску галактики (чтобы его заметить, потребовались бы сотни тысяч лет), мы способны измерять не движение волны, а текущие скорости вещества в разных точках диска. Современная техника наблюдений позволяет оценивать скорости звёзд и газа вдоль луча зрения (по эффекту Допплера) по всей площади диска, занимаемой спиральным узором. С помощью специального математического анализа этих данных оказалось возможным выявлять колебания скорости вещества, связанные со спиральной волной, и определять параметры волны плотности, в том числе её угловую скорость и радиус коротации. Анализ полей скоростей газа в целом ряде галактик с чёткой спиральной структурой подтвердил существование в них крупномасштабных волновых движений, связанных с наблюдаемыми в этих галактиках спиральными ветвями.
Ещё одним механизмом образования спиралей волновой природы (хотя и не претендующим на универсальность) может служить возбуждение газодинамической (т. н. центробежной) неустойчивости в газовом диске, если скорость его вращения на некотором расстоянии от центра галактики испытывает достаточно резкий скачок (А. М. Фридман и др.). Было показано, что при этом в газовом слое диска появляются и не исчезают закручивающиеся спиральные ветви волновой природы, число которых зависит от величины скачка скорости и от скорости вращения диска. Но пока остаётся неясным, насколько часто в галактиках реализуются условия, необходимые для этого сценария.
Более очевидным является образование волн плотности при воздействии на диск внешнего гравитационного поля – например, при наличии у галактики массивного спутника, находящегося вблизи плоскости диска, либо при наличии неосесимметричного (трёхосного) тёмного гало, в гравитационном поле которого вращается диск. Звёздная перемычка (бар) в центральной части галактики, если она достаточно массивна, также может быть причиной образования спиральной структуры. Как правило, в этом случае возникает двухрукавная спираль волновой природы, однако детали этого процесса пока недостаточно изучены. Численные эксперименты позволили наглядно воспроизвести на примере реалистичных моделей галактик формирование долгоживущей спиральной структуры в диске при наличии внешнего воздействия на него.
Существует ещё одна разновидность спиральных ветвей. Модели, имитирующие сильное приливное взаимодействие между соседними галактиками, проиллюстрировали возможность истечения из диска вещества, поток которого, сохраняя свой момент вращения, также принимает форму спирали. Но такие приливные спирали нестационарны и со временем расплываются и исчезают.
Тем не менее протяжённые упорядоченные спирали наблюдаются и в изолированных галактиках, не имеющих ни близких соседей, ни бара. Это говорит о том, что для разных галактик, находящихся в разных условиях, механизмы рождения спиральных ветвей могут быть различными. При этом не все спирали обязательно должны иметь волновую природу. Так, неволновой флоккулентный спиральный узор может быть связан с непрерывно появляющимися и исчезающими локальными областями звездообразования в диске, которые принимают форму спиралевидных дуг из-за дифференциального вращения диска. Но сходный узор может быть также создан и волнами плотности, если в диске галактики интерферируют колебания с различными длинами волн и различной угловой скоростью.
Таким образом, одного общего механизма формирования спирального узора в галактиках нет. Удалось найти различные причины, способные создать спиральный узор галактики, сохраняющийся в течение очень долгого времени. Наблюдения далёких галактик показали, что даже на заре своего существования часть галактик уже имела вполне сформировавшиеся спиральные ветви. Однако рано или поздно, через многие миллиарды лет галактики неизбежно потеряют свои спиральные узоры.