Подумайте о самых крупных объектах ночного неба, изображения которых вы видели. Да, конечно, они бывают совершенно разными – умирающие звёзды, остатки сверхновых, формирующие звёзды туманности и звёздные скопления, как старые, так и новые – но ничто не сравнится с красотой спиральных галактик. Содержащие от миллиардов до триллионов звёзд, эти «островные вселенные» демонстрируют уникальную структуру. Структуру довольно-таки загадочную, если задуматься об этом – как задумался читатель Грег Роджерс:
Что меня всегда удивляло по поводу спиральных галактик, так это их рукава, обёрнутые вокруг них не более чем на половину галактики. Поскольку внешняя часть вращается вокруг ядра медленнее, можно было бы ожидать встретить галактики, рукава которых обёрнуты множество раз вокруг ядра. Неужто Вселенная недостаточно старая для того, чтобы в ней появились так сильно закрученные галактики?
Рассматривайте какие угодно спиральные галактики, но у всех них будет схожая видимая структура.
Из центрального ядра наружу тянутся несколько спиральных рукавов – обычно от двух до четырёх – оборачивающихся вокруг галактики по мере удаления от центра. Одно из фантастических открытий 1970-х, вступившее в противоречие с ожиданиями, заключалось в том, что скорость движения звёзд по орбите вокруг галактики не уменьшается по мере отдаления от ядра – так, как это происходит с планетами в Солнечной системе, которые путешествуют по орбитам тем медленнее, чем дальше они расположены от центра. Скорость вращения звёзд остаётся постоянной – это ещё один из способов сказать, что у кривых вращения галактик плоский профиль.
Мы измеряли это, изучая галактики, расположенные к нам ребром, и подсчитывая, какое красное или синее смещение демонстрируют звёзды по отношению к их расстоянию от центра галактики. И хотя скорости отдельных звёзд практически не меняются, звезда, расположенная в два раза дальше от центра обращается вокруг него в два раза медленнее, а расположенная в десять раз дальше – в десять раз медленнее.
Вооружившись этим, можно подсчитать, что для галактики типа нашего Млечного пути Солнцу требуется 220 млн лет для завершения одного оборота вокруг галактики. Поскольку мы расположены примерно в 26000 световых годах от центра Галактики, наша позиция чуть ближе, чем половина пути от центра до самых окраин. Это значит, что поскольку нашей галактики около 12 млрд лет, внешние звёзды должны были совершить полный оборот всего 25 раз. Звёзды, расположенные так же, как Солнце, сделали 54 оборота. Звёзды внутри круга радиусом 10 000 световых лет совершили уже более 100 оборотов. Иначе говоря, можно ожидать, что галактики со временем закручиваются, как показано на видео ниже.
Но как показывают фотографии галактик, они не закручиваются многократно. В большинстве случаев рукава не обхватывают галактику даже единожды! Когда это свойство галактик выяснилось впервые, оно означало, по меньшей мере, следующее: эти спиральные рукава были нематериальны, это всего лишь видимость. И это так, вне зависимости от того, изолированы галактики или нет. Но есть ещё кое-что, если присмотреться.
Заметили розовые пятнышки, расположенные вдоль рукавов? Они появляются там, где присутствуют активные регионы формирования новых звёзд. Розовая точка – излишки излучаемого света на вполне определённой длине волны: 656,3 нм. Это излучение происходит, когда новые звёзды горят достаточно ярко для того, чтобы ионизировать газы, и затем, когда электроны воссоединяются с протонами, новообразованные атомы водорода испускают свет на определённой частоте, включая и ту, что делает эти регионы розовыми.
Нам это говорит о том, что эти спиральные рукава состоят из регионов, в которых плотность материала выше, чем в других частях галактики, и что звёзды свободно заходят и выходят из этих рукавов с течением времени.
Идея, объясняющая это, существует с 1964 года, и известна, как теория волн плотности . Теория утверждает, что рукава остаются на тех же самых местах с течением времени, так, как пробки на дороге остаются на тех же местах. Отдельные объекты (звёзды в галактике, автомобили на дороге) могут двигаться сквозь них, но примерно одно и то же количество объектов в любой момент всегда остаётся в «пробке». Из-за этого расположение уплотнённых участков остаётся неизменным.
Физика процесса проста: звёзды в определённых регионах создают привычные нам силы гравитации, и именно они и сохраняют спиральную форму. Иначе говоря, если мы начнём с региона с повышенной плотностью газа, и позволим нашему диску вращаться, то получим изначальный набор регионов, где впервые формируются звёзды: прото-рукава. С эволюцией галактики эти рукава – и регионы повышенной плотности – сохраняются только лишь благодаря эффектам гравитации.
Удивительно, что этот эффект так же хорошо работает как при наличии тёмной материи, окружающей галактику в виде гигантского гало, так и при её отсутствии.
Слева – галактика без тёмной материи, справа – с тёмной материей
И хотя предположения вопроса Грега были неверны, поскольку внешние звёзды галактики двигаются с такой же скоростью, как и внутренние, рукава и правда никогда не заворачиваются, вне зависимости от возраста галактики – просто из-за физики самой галактики. Как и пробки на дорогах, звёзды, газ и пыль, оказывающиеся в спиральных рукавах в любой момент времени, находятся в более плотном окружении, а когда они вырываются оттуда, расстояние от них до других звёзд увеличивается – в таком положении сегодня находится и наше Солнце.
В 1845 году английским астрономом лордом Россом был обнаружен целый класс туманностей спирального типа. Их природу установили только в начале двадцатого века. Учеными было доказано, что данные туманности являются огромными звездными системами, похожими на нашу Галактику, однако они удалены от нее на многие миллионы световых лет.
Спиральные галактики (фото, приведенные в этой статье, демонстрируют особенности их структуры) своим внешним видом напоминают пару сложенных вместе тарелок или двояковыпуклую линзу. В них можно обнаружить как массивный звездный диск, так и гало. Центральную часть, которая визуально напоминает вздутие, принято называть балджем. А темную полосу (непрозрачную прослойку межзвездной среды), идущую вдоль диска, называют межзвездной пылью.
Спиральные галактики принято обозначать литерой S. Кроме того, их принято делить по степени структуры. Для этого к основному символу добавляют литеры a, b или c. Так, Sa соответствует галактике с малоразвитой спиральной структурой, однако с большим ядром. Третий класс - Sc - относится к противоположным объектам, со слабым ядром и мощными спиральными ветвями. У некоторых звездных систем в центральной части может находиться перемычка, которую принято называть баром. В таком случае к обозначению добавляется символ В. Наша Галактика относится к промежуточному типу, без перемычки.
Плоские дискообразные формы объясняют вращением звездных скоплений. Существует гипотеза, что в процессе образования галактики препятствует сжатию так называемого протогалактического облака в перпендикулярном направлении к оси вращения. Также следует знать, что характер движения газов и звезд внутри туманностей неодинаков: диффузные скопления вращаются быстрее, чем старые звезды. Например, если характерная скорость вращения газа составляет 150-500 км/с, то звезда гало будет всегда двигаться медленнее. А балджи, состоящие из таких объектов, будут иметь скорость в три раза ниже, чем диски.
Если описанный выше процесс происходит в сильно сжатой звездной системе, то диффузная материя должна осесть на основную плоскость галактики, ведь именно здесь уровень потенциальной энергии является наименьшим. Сюда же и собираются газовые и пылевые частицы. Далее диффузная материя начинает свое движение в основной плоскости звездного скопления. Перемещаются частицы практически параллельно по круговым орбитам. В результате столкновения здесь довольно редки. Если же они и происходят, то энергетические потери при этом незначительны. Из этого следует, что материя далее к центру галактики не перемещается, где потенциальная энергия имеет еще меньший уровень.
Теперь рассмотрим, как ведет себя эллипсоидная галактика. Звездная система такого типа отличается совершенно иным развитием данного процесса. Здесь главная плоскость вовсе не является ярко выраженной областью с малым уровнем потенциальной энергии. Сильное снижение этого параметра происходит только в центральном направлении звездного скопления. А это значит, что межзвездные пыль и газ будут притягиваться в центр галактики. Как следствие, плотность диффузной материи здесь будет очень высока, гораздо больше, чем при плоском рассеивании в спиральной системе. Собравшиеся в центре скопления частицы пыли и газа под действием силы притяжения начнут сжиматься, тем самым сформируется малая по размерам зона плотного вещества. Ученые предполагают, что из данной материи в дальнейшем начинают формироваться новые звезды. Важным здесь является иное - малое по своим размерам облако газа и пыли, находящееся в ядре слабо сжатой галактики, не позволяет себя обнаружить в процессе наблюдения.
Мы рассмотрели два основных типа звездных скоплений - со слабым и с сильным уровнем сжатия. Однако существуют и промежуточные стадии, когда сжатие системы находится между этими параметрами. У таких галактик эта характеристика является недостаточно сильной для того, чтобы диффузная материя собралась вдоль всей основной плоскости скопления. И в то же время она недостаточно слабая и для того, чтобы частицы газа и пыли сконцентрировались в районе ядра. В таких галактиках диффузная материя собирается в небольшую плоскость, которая собирается вокруг ядра звездного скопления.
Известен еще один подтип спиральных галактик - это звездное скопление с перемычкой. Его особенность состоит в следующем. Если у обычной спиральной системы рукава выходят непосредственно из дискообразного ядра, то у данного типа центр располагается в середине прямой перемычки. А ветви такого скопления начинаются из концов данного отрезка. Еще их принято называть галактиками пересеченных спиралей. Между прочим, физическая природа данной перемычки до сих пор остается неизвестной.
Кроме того, ученым удалось обнаружить еще один вид звездных скоплений. Они характеризуются ядром, как и у спиральных галактик, однако рукавов у них нет. Наличие ядра говорит о сильном сжатии, но все остальные параметры напоминают эллипсоидные системы. Такие скопления получили название чечевицеобразных. Ученые предполагают, что эти туманности образуются в результате потери спиральной галактикой своей диффузной материи.
> Спиральные галактики
На фото Хаббла отображена М71, напоминающая насколько удивительными и фотогеничными бывают спиральные галактики. Практически 70% соседей Млечного Пути принадлежать к этому типу (2 апреля 2013 год).
Изучите, как выглядит спиральная галактика : описание и характеристика с фото, классификация, роль Эдвина Хаббла, тип Млечного Пути, рождение и развитие.
Несложно догадаться, что спиральные галактики получили название из-за наблюдаемой формы. Это закрученные коллекции газа и звезд (горячие и молодые), иногда поражающие внешним видом.
Следует разобраться в том, как выглядит строение спиральных галактик. Большая часть галактик спирального типа, вроде Млечного Пути, располагает центральной выпуклостью (ядро), вокруг которой вращается плоский звездный диск. Галактический центр наполнен более старыми и тусклыми звездами, а также вмещает сверхмассивную (хотя найти ее не всегда удается из-за пыли и газа). Тусклый свет древних звезд усложняет определение выпуклости, а есть спирали, которые вообще не обладают подобной особенностью.
Именно диск позволяет легко отличить этот тип галактик от других (важный элемент спиральной галактики). В нем есть спиральные рукава с молодыми звездами, пылью и газом. Именно яркие звезды делают рукава такими выразительными и заметными.
Точная схема формирования спиральных рукавов все еще остается загадкой. Если бы они были постоянными галактическими свойствами, то должны были исчезнуть в течение миллиарда лет. Исследователи полагают, что они могут быть результатом волн плотности, распространяющихся по внешнему диску. Сами волны могли образоваться в процессе столкновения. При слиянии масса одной влияет на изменение структуры второй.
Примерно 2/3 спиральных галактик содержат бар в центре. также имеет подобную структуру, но ее сложно разглядеть. Поэтому до 2005 года его наличие не удавалось подтвердить. Классификация галактик появилась в 1926 году благодаря Эдвину Хабблу. Ее называют «камертон Хаббла» и принцип организации строится на галактической форме. Спиральные распределяются по тому, насколько сильно закручены их рукава, а также по присутствию или отсутствию бара.
Среди всего массива наблюдаемых галактик к спиральным относится 77%. Но не нужно думать, что они доминируют. Все-таки эта честь принадлежит эллиптическим, которые в итоге являются следующей формой трансформации для спиральных. Эллиптические галактики представлены старыми и тусклыми звездами, поэтому их сложнее найти.
Спиральные галактики наполнены пылью и газом, из-за чего создаются отличные условия для формирования звезд. Считается, что они моложе эллиптических. Можно обнаружить совершенно разные формы. Около 60% из них располагают несколькими рукавами, 10% – двумя, а у 30% нельзя подсчитать, так как со временем они меняли внешний вид.
Эти галактики от миллиарда до триллиона раз массивнее Солнца. Видимый диск в ширину простирается на 10-300 тысяч световых лет. Наиболее крупная спиральная галактика – NGC 6872, которая вытягивается на 522000 световых лет.
В ранней Вселенной галактики часто сталкивались и контактировали, поэтому форма древних гигантов быстро искажалась. Древнейшая из наблюдаемых спиральных галактик – BX442 (10.7 миллиардов лет). Из-за корреляции между дистанцией и временем, исследователям удается рассмотреть ее лишь через 3 миллиарда лет после Большого Взрыва.
Когда спиральная галактика израсходует весь газ и пыль, то звезды прекращают формироваться, а спиральная форма распадается, и они трансформируются в эллиптические. Посмотрите видео про галактики, чтобы узнать больше о рождении звезд, создании спиралей и рукавов.
Эволюция дисковых галактик
Астрофизик Ольга Сильченко о рождении звезд, моделировании галактик и аккреции внешнего холодного газа:
Спиральный узор галактик
Астроном Алексей Расторгуев о причинах спирального узора, теории волн плотности и трудностях в изучении нашей Галактики:
Галактика Андромеды
Спираль или эллипс? А может, линза? В 1936 году Эдвин Хаббл предложил последовательность эволюции галактик, которая, с незначительными модификациями, остается актуальной до сих пор.
По этой классификации существует четыре основных типа галактик. Иногда к отдельному виду относят карликовые галактики, однако ничем, кроме своего относительно малого размера они не выделяются и сами принадлежат к тому или иному типу в классической категоризации.
Со стороны выглядит как гигантская звезда – светящийся шар с сильнейшей яркостью в центре и тускнеющий к краям. Эллиптические, или сфероидальные галактики почти полностью состоят из старых звезд, поэтому всегда имеют желтый или красноватый оттенок. Новые звезды в них практически не образуются, так как количество межзвездного газа и пыли в них ничтожно (хотя встречаются и исключения). Отличаются между собой эллиптические звездные системы лишь по размеру и степени сжатия. Именно по сжатию их и классифицируют, от E0 до E7. Составляют примерно четверть из числа видимых галактик. По классификации Хаббла – это начальная стадия галактической эволюции.
Эллиптическая галактика ESO 325-G004 / ©NASA/ESA
Самый распространенный тип и, вероятно, самый красивый – составляет более половины числа всех известных галактик. Выглядит как диск с ярким желтым шаром в центре, вокруг которого в виде спиралей закручены более тусклые ветви-рукава голубоватого оттенка (из-за наличия особых звезд – белых и голубых сверхгигантов).
От эллиптических звездных систем отличается целым рядом особенностей строения. Во-первых, у спиральных галактик присутствуют рукава, где проходят процессы активного звездообразования. Во-вторых, присутствует звездный диск – относительно тонкий слой материи вдоль плоскости галактики, где находится основная масса объектов системы, и звезды в котором вращаются вокруг центра диска. В-третьих, широко наблюдается наличие межзвездного газа и пыли – необходимой для рождения звезд среды. Многие спиральные галактики имеют в своем центре своеобразную перемычку (бар), от концов которой расходятся рукава. Классифицируются буквой S и различаются по плотности расположения рукавов (Sa-Sd, с перемычкой – SBa-SBd).
Количество рукавов в среднем составляет пару, однако встречается и больше; в некоторых случаях рукава отличаются по размеру. Все они (если не переживают галактическое столкновение) закручены в одну сторону вокруг центра, где сосредоточена основная масса вещества в виде сверхмассивной черной дыры и плотного шарообразного скопления из старых звезд – балджа.
И наша галактика – Млечный путь, и Туманность Андромеды, с которой мы неминуемо столкнемся через 4 миллиарда лет, – обе представляют собой спиральные галактики. Солнце находится между рукавов и вдали от галактического центра, причем скорость его движения примерно равна скорости вращения рукавов; таким образом, солнечная система избегает опасных для земной жизни областей активного звездообразования, где часто вспыхивают сверхновые.
Спиральная галактика Водоворот и её компаньон NGC 5195 / ©NASA
По классификации Хаббла это промежуточный тип между эллиптической и спиральной галактиками (S0). Линзообразные звездные системы обладают звездным диском вокруг центрального шаровидного скопления-балджа, однако рукава относительно малы и выражены не очень ярко, а количества межзвездной газопылевой материи недостаточно для активного рождения новых звезд. Основные жители – старые большие звезды, красного или желтого цветов.
Различаются по количеству межзвездной пыли и плотности перемычки в галактическом центре. Составляют примерно 20% числа галактик.
Линзообразная галактика NGC 7049 / ©NASA/ESA
Ни эллипс, ни спираль – неправильные галактики не обладают ни одной из распространенных форм. Как правило, это хаотически связанные гравитацией звездные скопления, порой не имеющие четкой формы и даже ярко выраженного центра. Составляют примерно 5% галактик.
Почему они так сильно отличаются от своих галактических собратьев? Очень вероятно, что каждая такая звездная система когда-то была эллиптической или спиральной, но ее изуродовало столкновение с другой галактикой, или тесное соседство с ней.
Делятся на два основных типа: те, кто имеет хоть какое-то подобие структуры, позволяющее отнести их к последовательности Хаббла (Irr I), и те, кто не обладает даже подобием (Irr II).
Иногда выделяют третий тип – карликовые неправильные галактики (dl или dIrr). В них наблюдается низкое количество тяжелых элементов и большое количество межзвездного газа, что делает их похожими на протогалактики ранней Вселенной. Поэтому изучение этого вида неправильных галактик имеет важное значение для понимания процесса галактической эволюции.
NGC 1569 является карликовой неправильной галактикой в созвездии Жирафа / ©NASA/ESA
Подумайте о самых крупных объектах ночного неба, изображения которых вы видели. Да, конечно, они бывают совершенно разными – умирающие звёзды, остатки сверхновых, формирующие звёзды туманности и звёздные скопления, как старые, так и новые – но ничто не сравнится с красотой спиральных галактик. Содержащие от миллиардов до триллионов звёзд, эти «островные вселенные» демонстрируют уникальную структуру. Структуру довольно-таки загадочную, если задуматься об этом – как задумался читатель Грег Роджерс:
Что меня всегда удивляло по поводу спиральных галактик, так это их рукава, обёрнутые вокруг них не более чем на половину галактики. Поскольку внешняя часть вращается вокруг ядра медленнее, можно было бы ожидать встретить галактики, рукава которых обёрнуты множество раз вокруг ядра. Неужто Вселенная недостаточно старая для того, чтобы в ней появились так сильно закрученные галактики?
Рассматривайте какие угодно спиральные галактики, но у всех них будет схожая видимая структура.
Из центрального ядра наружу тянутся несколько спиральных рукавов – обычно от двух до четырёх – оборачивающихся вокруг галактики по мере удаления от центра. Одно из фантастических открытий 1970-х, вступившее в противоречие с ожиданиями, заключалось в том, что скорость движения звёзд по орбите вокруг галактики не уменьшается по мере отдаления от ядра – так, как это происходит с планетами в Солнечной системе, которые путешествуют по орбитам тем медленнее, чем дальше они расположены от центра. Скорость вращения звёзд остаётся постоянной – это ещё один из способов сказать, что у кривых вращения галактик плоский профиль.
Мы измеряли это, изучая галактики, расположенные к нам ребром, и подсчитывая, какое красное или синее смещение демонстрируют звёзды по отношению к их расстоянию от центра галактики. И хотя скорости отдельных звёзд практически не меняются, звезда, расположенная в два раза дальше от центра обращается вокруг него в два раза медленнее, а расположенная в десять раз дальше – в десять раз медленнее.
Вооружившись этим, можно подсчитать, что для галактики типа нашего Млечного пути Солнцу требуется 220 млн лет для завершения одного оборота вокруг галактики. Поскольку мы расположены примерно в 26000 световых годах от центра Галактики, наша позиция чуть ближе, чем половина пути от центра до самых окраин. Это значит, что поскольку нашей галактики около 12 млрд лет, внешние звёзды должны были совершить полный оборот всего 25 раз. Звёзды, расположенные так же, как Солнце, сделали 54 оборота. Звёзды внутри круга радиусом 10 000 световых лет совершили уже более 100 оборотов. Иначе говоря, можно ожидать, что галактики со временем закручиваются, как показано на видео ниже.
Но как показывают фотографии галактик, они не закручиваются многократно. В большинстве случаев рукава не обхватывают галактику даже единожды! Когда это свойство галактик выяснилось впервые, оно означало, по меньшей мере, следующее: эти спиральные рукава были нематериальны, это всего лишь видимость. И это так, вне зависимости от того, изолированы галактики или нет. Но есть ещё кое-что, если присмотреться.
Заметили розовые пятнышки, расположенные вдоль рукавов? Они появляются там, где присутствуют активные регионы формирования новых звёзд. Розовая точка – излишки излучаемого света на вполне определённой длине волны: 656,3 нм. Это излучение происходит, когда новые звёзды горят достаточно ярко для того, чтобы ионизировать газы, и затем, когда электроны воссоединяются с протонами, новообразованные атомы водорода испускают свет на определённой частоте, включая и ту, что делает эти регионы розовыми.
Нам это говорит о том, что эти спиральные рукава состоят из регионов, в которых плотность материала выше, чем в других частях галактики, и что звёзды свободно заходят и выходят из этих рукавов с течением времени.
Идея, объясняющая это, существует с 1964 года, и известна, как теория волн плотности . Теория утверждает, что рукава остаются на тех же самых местах с течением времени, так, как пробки на дороге остаются на тех же местах. Отдельные объекты (звёзды в галактике, автомобили на дороге) могут двигаться сквозь них, но примерно одно и то же количество объектов в любой момент всегда остаётся в «пробке». Из-за этого расположение уплотнённых участков остаётся неизменным.
Физика процесса проста: звёзды в определённых регионах создают привычные нам силы гравитации, и именно они и сохраняют спиральную форму. Иначе говоря, если мы начнём с региона с повышенной плотностью газа, и позволим нашему диску вращаться, то получим изначальный набор регионов, где впервые формируются звёзды: прото-рукава. С эволюцией галактики эти рукава – и регионы повышенной плотности – сохраняются только лишь благодаря эффектам гравитации.
Удивительно, что этот эффект так же хорошо работает как при наличии тёмной материи, окружающей галактику в виде гигантского гало, так и при её отсутствии.
Слева – галактика без тёмной материи, справа – с тёмной материей
И хотя предположения вопроса Грега были неверны, поскольку внешние звёзды галактики двигаются с такой же скоростью, как и внутренние, рукава и правда никогда не заворачиваются, вне зависимости от возраста галактики – просто из-за физики самой галактики. Как и пробки на дорогах, звёзды, газ и пыль, оказывающиеся в спиральных рукавах в любой момент времени, находятся в более плотном окружении, а когда они вырываются оттуда, расстояние от них до других звёзд увеличивается – в таком положении сегодня находится и наше Солнце.
