Спиральная структура галактик

Рис. 1. Классификация спиральных галактик по Ж. Вокулеру

Газ в спиральных рукавах состоит в основном из водорода. Обычно он практически неионизован (нейтральный водород, HI), но вокруг горячих звезд водород ионизован (Зоны HII). Газ часто образует плотные диффузные туманности, также служащие ориентиром при определении вида спиральных ветвей. Еще одним признаком ветвей явл. рассеянная в газе межзвездная пыль, обнаруживаемая по производимому ею поглощению. Она видна как тонкая темная полоса по внутреннему (ближе к центру галактики) краю спиральной ветви. Кроме того, в рукавах наблюдаются тонкие полоски, пересекающие рукава (рис. 2) и отдельные темные массы. Концентрация звезд, образующих галактич. диск, тоже несколько увеличивается в ветвях, но не так сильно, как концентрация газа.

Звезды, газ и др. объекты галактич. диска движутся по орбитам, близким к круговым. Экспериментально установлено, что угловая скорость этого движения как ф-ция радиуса, т.е. , убывает с удалением от центра галактики. При таком характере вращения большие газовые облака или др. протяженные образования растягиваются и становятся похожими на часть спиральной ветви. Однако спиральные ветви не могли возникнуть таким путем. Дифференциальное вращение способно создать структуры, похожие на наблюдаемые рукава, меньше чем за 10⁹ лет. В течение неск. оборотов Галактики, возраст к-рой превышает 10¹⁰ лет, такие структуры должны были разрушиться, пространственнное распределение водорода, пыли и горячих звезд стать нерегулярным, чего в большинстве случаев не наблюдается.

Б. Линдблад (Швеция) первым высказал идею о том, что спиральные ветви могут быть волнами плотности. В 1964 г. Ц. Лин и Ф. Шу (США) показали, что в галактиках действительно могут существовать волны плотности спиралевидной формы, вращающиеся с угловой скоростью (т.е. форма фронта таких волн не искажается дифференциальным вращением галаактич. диска) и распространяющиеся по радиусу с определенной групповой скоростью v_гр. Поскольку в Галактике газа мало (2-5%), то волны распространяются по звездному населению, в к-ром они могут возбуждаться, а газ уже реагирует на возмущение гравитационного потенциала, связанного с волнами, бегущими по системе звезд, т.е. его движение в гравитац. поле рукавов явл. несамосогласованным.

Галактики представляют собой т.н. бесстолкновительные звездные системы, т.к. время между двумя последовательными сближениями к.-л. звезды с др. звездой на 3-4 порядка больше возраста галактики. Поэтому возможность распространения волн в таких системах довольно необычна. Здесь упругость, необходимая для распространения волн плотности, обусловлена силами Кориолиса, приводящими к эпициклическому движению звезд, т.е. в конечном счете - вращению системы.

Рис. 2. Фотография спиральной галактики М51 типа Sc с галактикой-спутником. На внутренней части рукавов видны темные полосы - результат сжатия газа и пыли ударной волной.

В волне концентрация звезд увеличивается незначительно (соответствующее изменение гравитац. потенциала 10-20%). Однако реакция межзвездного газа даже на столь значительное изменение гравитац. потенциала галактики велика: разгоняясь в поле спиральной волны звездной плотности, газ приобретает сверхзвуковую скорость и сжимается в неск. раз. Это может привести к возникновению глобальной (охватывающей большую часть диска) ударной волны в межзвездном газе. Одним из наблюдательных проявлений торможения газа в ударной волне (газ догоняет при своем галактич. движении рукава и затем тормозится) явл. темные полосы плотного газа с пылью на внутр. кромке спиральных рукавов (рис. 2). Сжатие газа может служить спусковым механизмом (триггером) для образования звезд. Действительно, индикаторами спиральной структуры обычно служат молодые OB-звезды и их ассоциации, зоны HII, остатки вспышек сверхновых, молекулярные темные облака, H₂O-мазеры, источники -излучения (см. Звездообразование). При протекании межзвездного газа через спиральные рукава в нем могут происходить своего рода фазовые переходы с образованием облачной структуры. Это проливает свет на происхождение сосуществующих одновременно различных фаз (холодной, теплой, горячей) межзвездного газа.

Волновая теория спиральной структуры галактик разработана достаточно детально и допускает количественное сравнение с наблюдениями. Однако имеется ряд нерешенных проблем. Регулярный спиральный узор наблюдается далеко не во всех галактиках, часто видна довольно нерегулярная структура, состоящая из многих коротких образований, к-рые лишь "в целом" формируют подобие спиральных рукавов. Регулярный глобальный спиральный узор наблюдается обычно у галактик, имеющих бар, и у галактик со "спутниками" (рис. 2). В этих случаях регулярная структура находит объяснение. Так, имеющийся в центре галактики бар действует как генератор, возбуждающий и поддерживающий волны плотности. Галактика-спутник, как показывают расчеты на ЭВМ, также может возбуждать спиральные волны плотности в осн. галактике, благодаря возникающим здесь приливным силам.

Несмотря на то что волновая интерпретация спирального узора галактик явл. практически общепринятой, в рамках самой волновой теории существуют точки зрения, окончательный выбор между к-рыми могут помочь сделать только наблюдения. Если Галактику со всеми ее подсистемами рассматривать как бесконечно тонкий диск с нек-рой ср. дисперсией скоростей звезд и споверхностной плотностью, соответствующей проекции полной плотности в данной точке, и приписать этой модели наблюдаемую кривую вращения галактики, то геометрия двухрукавного узора оказывается совпадающей с наблюдаемой при 13 км/(скпк) для определенного типа волн плотности. Согласно другой точке зрения, тип волн плотности определяется плоской подсистемой и дисперсией скоростей ее компонентов, к-рая намного меньше значения, принятого в первом случае. При этом геометрия наблюдаемого узора лучше описывается др. типом волн с 24 км/(скпк). Имеется ряд теоретич. соображений и данных наблюдений, свидетельствующих, по-видимому, в пользу того, что в Галактике реализуется второй случай. Если это так, то Солнце в Галактике находится в исключительном положении, что может иметь далеко идущие последствия для космогонии Солнечной системы и происхождения в ней жизни. Поскольку галактич. диск вращается дифференциально, а спиральные рукава - твердотельно, в Галактике должна существовать окружность, на к-рой угловые скорости диска и волны плотности равны. Такая окружность наз. коротационной (от англ. corotation - совместное вращение). Ее радиус R=R_C определяется условием . Поскольку в каждой спиральной галактике может существовать только одна такая окружность, то, очевидно, она явл. выделенной. Угловая скорость вращения Солнца в Галактике 25 км/(скпк), расстояние Солнца до центра Галактики 10 кпк. Если 24 км/(скпк), то, согласно, модели Шмидта (1965 г.), напр., 10,3 кпк. Это значит, что галактич. орбита Солнечной системы близка к коротационной окружности и, следовательно, находится в особом положении.

Теория волн плотности разрешила принципиальные трудности в понимании природы С.с.г. Однако в целом проблема спиральной стурктуры пока далека от окончательного решения. Неясны источники энергии волн и механизмы, препятствующие их затуханию, типы волн, ответственные за наблюдаемые спиральные узоры в галактиках. Не удается пока объяснить все многообразие наблюдаемых форм спиральной структуры.

Лит.:
Марочник Л.С., Сучков А.А., Галактика, М., 1984; Каплан С.А., Пикельнер С.Б., Физика межзвездной среды, М., 1979; Рольфс К., Лекции по теории волн плотности, пер. с англ., М., 1980; Вокулер Ж., Классификация и морфология галактик, в сб.: Строение звездных систем, пер. с нем., М., 1962.

(Л.С. Марочник)