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.

Ядро - крайне малая область в центре галактики. Когда речь заходит о ядрах галактик, то чаще всего говорят об активных ядрах галактик, где процессы нельзя объяснить свойствами сконцентрированных в них звёзд.

Диск - относительно тонкий слой, в котором сконцентрировано большинство объектов галактики. Подразделяется на газопылевой диск и звёздный диск. галактика ядро межзвёздный гравитационный

Балдж (англ.. bulge - вздутие) - наиболее яркая внутренняя часть сфероидального компонента.

Гало -- внешний сфероидальный компонент. Граница между балджем и гало размыта и достаточно условна.

Другие возможные элементы.

Полярное кольцо - редкий компонент. В классическом случае галактика с полярным кольцом имеет два диска, вращающихся в перпендикулярных плоскостях. Центры этих дисков в классическом случае совпадают. Причина возникновения полярных колец до конца не ясна.

Сфероидальный компонент - сфероподобное распределение звёзд.

Спиральная ветвь (спиральный рукав) - уплотнение из межзвёздного газа и преимущественно молодых звёзд в виде спирали. Скорее всего, являются волнами плотности, вызванными различными причинами, однако вопрос об их происхождении до сих пор окончательно не решён.

Бар (перемычка) - выглядит как плотное вытянутое образование, состоящее из звёзд и межзвёздного газа. По расчётам, главный поставщик межзвёздного газа к центру галактики. Однако почти все теоретические построения основываются на факте, что толщина диска много меньше его размеров, иными словами, диск плоский, и почти все модели - упрощённые двумерные модели, расчётов трёхмерных моделей дисков крайне мало. А трёхмерный расчёт галактики с баром и газом в известной литературе всего один. По данным автора данного расчёта, газ не попадает в центр галактики, а проходит довольно далеко.

Эволюция галактик

Эволюцией галактики называется изменение её интегральных характеристик со временем: спектра, цвета, химического состава, поля скоростей. Описать жизнь галактики непросто: на эволюцию галактики влияют не только эволюция отдельных её частей, но также и её внешнее окружение. Вкратце процессы, влияющие на эволюцию галактики, можно представить следующей схемой.

Эволюция протекает на лет быстрее при протогалактическое сжатие, большом мёрджинге (слияние галактик), давлении горячего межгалактического газа.

Эволюция протекает медленнее на лет при продолжительности аккреции на диске, малом слиянии, приливном взаимодействии галактик. А также, если эволюция вызвана неустойчивостью бара, темным гало, черной дырой, спиральными ветвями, галактическими ветрами и фонтанами.

На протяжении эволюционного развития возникают другие процессы важные для галактики: формирование звезд, обогащение металлами, обратная связь через сверхновые и активные ядра, возобновление газа.

Которые характеризуются следующими физическими свойствами:

• значительный суммарный вращательный момент ;
• состоят из центрального балджа (почти сферического утолщения), окружённого диском:
  • балдж имеет сходство с эллиптической галактикой , содержащей множество старых звёзд - так называемое «Население II » - и нередко сверхмассивную чёрную дыру в центре;
  • диск является плоским вращающимся образованием, состоящим из межзвёздного вещества , молодых звёзд «Населения I » и рассеянных звёздных скоплений .

Спиральные галактики названы так, потому что имеют внутри диска яркие рукава звёздного происхождения, которые почти логарифмически простираются из балджа. Хотя иногда их нелегко различить (например, во флоккулентных спиралях), эти рукава служат основным признаком, по которому спиральные галактики отличаются от линзообразных галактик , для которых характерно дисковое строение и отсутствие ярко выраженной спирали. Спиральные рукава представляют собой области активного звездообразования и состоят по большей части из молодых горячих звёзд; именно поэтому рукава хорошо выделяются в видимой части спектра. Абсолютное большинство наблюдаемых спиральных галактик вращается в сторону закручивания спиральных ветвей .

Диск спиральной галактики обычно окружён большим сфероидальным гало , состоящим из старых звёзд «Населения II », большинство которых сосредоточено в шаровых скоплениях , вращающихся вокруг галактического центра. Таким образом, спиральная галактика состоит из плоского диска со спиральными рукавами, эллиптического балджа и сферического гало, диаметр которого близок к диаметру диска.

Многие (в среднем две из трёх) спиральные галактики имеют в центре перемычку («бар» ), от концов которой отходят спиральные рукава . В рукавах содержится значительная часть пыли и газа, также множество звёздных скоплений . Вещество в них вращается вокруг центра галактики под действием гравитации.

Масса спиральных галактик достигает 10 12 масс Солнца. Крупнейшей открытой на текущий момент спиральной галактикой является NGC 6872 , общая протяженность которой составляет 522 тысяч световых лет, что в пять раз больше, чем диаметр Млечного пути .

Спиральные рукава

Известен следующий парадокс: время обращения звёзд вокруг ядра галактики составляет порядка 100 миллионов лет; возраст самих галактик в несколько десятков раз больше. Между тем спирали закручены как правило на небольшое число оборотов. Парадокс объясняется тем, что принадлежность звёзд спиралям не постоянна: звёзды входят в область, занимаемую спиральным рукавом, на некоторое время замедляют своё движение в этой области, и покидают спираль. Между тем спираль, как область повышенной плотности вещества в диске спиральной галактики, может существовать неограниченно долго - спирали подобны стоячим волнам.

Спирали галактик могут несильно отличаться по количеству звёзд от окружающего их диска, но могут быть существенно ярче. Газовые облака , пересекая спираль, испытывают сжатие или расширение, порождающие ударные волны в газе. Всё это приводит к нарушению равновесия в облаках и интенсивному звёздообразованию в области спирали. А если учесть, что время жизни ярчайших гигантов и сверхгигантов в тысячи раз меньше, чем возраст Солнца, то получается что большинство ярких голубых звёзд собрано в небольшом объёме спирального рукава: сверхгиганты не успевают покинуть спираль за те несколько миллионов лет, которые существуют до взрыва сверхновой . Как следствие, большое количество голубых сверхгигантов придаёт спиралям галактик яркий голубоватый оттенок.

Расположение Солнца

Солнце интересно тем, что расположено между спиральными рукавами Галактики и делает оборот вокруг центра Галактики в точности за то же время, что и спиральные рукава . Как следствие, Солнце не пересекает области активного звездообразования , в которых часто вспыхивают сверхновые - источники губительного для жизни излучения.

Спиральные галактики

• Млечный Путь (наша галактика)

Спиральные галактики (обозначаются буквой S) – самый многочисленный вид, к которому принадлежит большая часть всех наблюдаемых галактик. Самыми известными представителями этого вида являются и один из красивейших объектов звездного неба - туманность Андромеды. Спиральные галактики получили свое название благодаря характерным спиральным рукавам звездного происхождения, расположенным внутри галактического диска.

Различают два типа спиралей. К первому типу, обозначаемому SA или S, относят спиральные ветви, выходящие непосредственно из центрального уплотнения (подобно рукавам нашей Галактики). У другого типа они начинаются у краев продолговатого обра зования, имеющего овальное уплотнение в центре. Складывается впечатление, что два спиральных рукава соединены между собой перемычкой, поэтому такие галактики и получили название «галактики, пересеченными спиралями», их обозначают символом SB.

фото: Спиральная галактика типа Sc (M74)

Спиральные галактики различают по степени развитости их спиральной структуры, что в классификации обозначается добавлением букв a, b, c к символам S (или SA) и SB. К примеру, обозначение Sa говорит о галактике со слабо развитой или только намечающейся спиральной структурой. Системы Sb имеют уже хорошо заметные ветви, как и у туманности Андромеды, а структура Sc характеризуется наличием клочковатых спиральных ветвей, которые выходят из довольно небольшого центрального уплотнения. Считается, что, чем сильнее развита спиральная структура, тем меньше оказываются размеры центрального уплотнения. Лучше всего спиральная структура изучена у галактик, в которых плоскость спирали перпендикулярна лучу зрения. Если же луч зрения наоборот, лежит в этой плоскости, то спиральная структура не видна, однако хорошо заметно, что галактика имеет вид плоского образования, напоминающего чечевицу с ярко выраженным центральным утолщением. Вдоль средней линии такого образования тянется полоса светопоглощающей материи, которая, как и в нашей Галактике, сильно концентрируется к основной плоскости спирали.

О том, что спиральные ветви галактик представляют собой области преимущественного звездообразования, свидетельствует наличие в них молодых горячих звезд, ионизующих водород на больших расстояниях вокруг себя. , пересекающие спираль, испытывают сжатие или расширение и порождают ударные волны в газе. Это, в свою очередь, вызывает нарушение равновесия в облаках и приводит к интенсивному звездообразованию в спиральных рукавах. Если учесть тот факт, что время жизни самых ярких гигантов и сверхгигантов в несколько тысяч раз меньше, чем возраст Солнца, то выходит что большинство ярких голубых гигантов собрано в сравнительно небольшом объеме спиральной ветви: сверхгигантам не удается покинуть спираль за то время (порядка нескольких миллионов лет), которые существуют до взрыва сверхновой. Именно поэтому множество голубых сверхгигантов придает спиралям галактик заметный голубоватый оттенок.

Разновидность галактик в последовательности Хаббла , которые характеризуются следующими физическими свойствами:

• значительный суммарный вращательный момент ;
• состоят из центрального балджа (почти сферического утолщения), окружённого диском:
  • балдж имеет сходство с эллиптической галактикой , содержащей множество старых звёзд - так называемое «Население II » - и нередко сверхмассивную чёрную дыру в центре;
  • диск является плоским вращающимся образованием, состоящим из межзвёздного вещества , молодых звёзд «Населения I » и рассеянных звёздных скоплений .

Спиральные галактики названы так, потому что имеют внутри диска яркие рукава звёздного происхождения, которые почти логарифмически простираются из балджа. Хотя иногда их нелегко различить (например, во флоккулентных спиралях), эти рукава служат основным признаком, по которому спиральные галактики отличаются от линзообразных галактик , для которых характерно дисковое строение и отсутствие ярко выраженной спирали. Спиральные рукава представляют собой области активного звездообразования и состоят по большей части из молодых горячих звёзд; именно поэтому рукава хорошо выделяются в видимой части спектра. Абсолютное большинство наблюдаемых спиральных галактик вращается в сторону закручивания спиральных ветвей .

Диск спиральной галактики обычно окружён большим сфероидальным гало , состоящим из старых звёзд «Населения II », большинство которых сосредоточено в шаровых скоплениях , вращающихся вокруг галактического центра. Таким образом, спиральная галактика состоит из плоского диска со спиральными рукавами, эллиптического балджа и сферического гало, диаметр которого близок к диаметру диска.

Многие (в среднем две из трёх) спиральные галактики имеют в центре перемычку («бар» ), от концов которой отходят спиральные рукава . В рукавах содержится значительная часть пыли и газа, также множество звёздных скоплений . Вещество в них вращается вокруг центра галактики под действием гравитации.

Масса спиральных галактик достигает 10 12 масс Солнца. Крупнейшей открытой на текущий момент спиральной галактикой является NGC 6872 , общая протяженность которой составляет 522 тысяч световых лет, что в пять раз больше, чем диаметр Млечного пути .

Спиральные рукава

Известен следующий парадокс: время обращения звёзд вокруг ядра галактики составляет порядка 100 миллионов лет; возраст самих галактик в несколько десятков раз больше. Между тем спирали закручены как правило на небольшое число оборотов. Парадокс объясняется тем, что принадлежность звёзд спиралям не постоянна: звёзды входят в область, занимаемую спиральным рукавом, на некоторое время замедляют своё движение в этой области, и покидают спираль. Между тем спираль, как область повышенной плотности вещества в диске спиральной галактики, может существовать неограниченно долго - спирали подобны стоячим волнам.

Спирали галактик могут несильно отличаться по количеству звёзд от окружающего их диска, но могут быть существенно ярче. Газовые облака , пересекая спираль, испытывают сжатие или расширение, порождающие ударные волны в газе. Всё это приводит к нарушению равновесия в облаках и интенсивному звёздообразованию в области спирали. А если учесть, что время жизни ярчайших гигантов и сверхгигантов в тысячи раз меньше, чем возраст Солнца, то получается что большинство ярких голубых звёзд собрано в небольшом объёме спирального рукава.