Как астрофизики объясняют спиральный узор галактик? Как формулируется главный тезис теории волн плотности? В чем состоят трудности определения характеристик спирального узора нашей Галактики? На эти и другие вопросы отвечает доктор физико-математических наук Алексей Расторгуев.

Мы хорошо знаем, что во Вселенной множество галактик, все они разные: есть галактики эллиптические, спиральные, причем разных типов, есть галактики карликовые, из которых много сфероидальных, то есть почти эллиптических галактик, есть галактики неправильные. Статистика говорит нам о том, что около 70% всех галактик — это спиральные галактики, где мы видим спиральный узор.

Если посмотреть на изображения галактик, сделанные в разных цветах, то мы увидим, что спирали — объекты, которые видны как спирали в спиральных галактиках, — более голубые, чем окружающие объекты. Объяснить это можно только тем, что в спиральном узоре мы видим преимущественно молодые горячие звезды. Астрофизики, специалисты по теории эволюции звезд, хорошо знают, что чем массивнее звезда, тем она горячее и голубее по цвету, но время жизни массивных звезд на этой стадии исключительно мало́.

Массивные звезды видны как звезды в течение десятков, максимум сотни миллионов лет. Потом они взрываются как сверхновые, превращаются в белые карлики, нейтронные звезды, черные дыры, и в оптическом диапазоне мы их не видим. И то, что спирали в галактиках выглядят как голубоватые объекты, говорит нам о том, что мы видим звезды именно на такой стадии эволюции.

Рекомендуем по этой теме:
12767
FAQ: Эволюция галактик

О том, почему спиральные галактики выглядят именно так, астрономы думали давно. Первые гипотезы о причинах существования спирального узора опирались на представление, что спиральный узор все время состоит из одних и тех же объектов. Но эту гипотезу вскоре отвергли. Дело в том, что галактики вращаются. Причем вращение дифференциальное, как говорят астрономы, — угловая скорость вращения разная на разных расстояниях: центральные области вращаются быстро, а периферийные — медленно. И если бы спираль была материальным образованием, то она бы быстро скрутилась за несколько оборотов и превратилась в неясное колечко (как происходит при наматывании ниток на катушку). Это происходило бы быстро, а следовательно, в рамках такой гипотезы время существования спирального узора галактики намного меньше ее возраста. И вряд ли мы тогда даже из чисто статистических соображений видели бы большое число спиральных галактик.

Но раз их 70% от общего числа галактик, значит, это явление долгоживущее. Надо искать механизм, который обеспечивает длительное существование спирального узора. Тут в деле намечается «китайский след». В 1969 году два американских астрофизика китайского происхождения Линь и Шу придумали теорию, которая сейчас считается наиболее хорошо описывающей существование спирального узора во вращающихся дисковых галактиках.

Это теория волн плотности. Ее главный тезис гласит, что спиральный узор состоит в разные времена из разных объектов — это волна спиральной формы, которая прокатывается по диску галактики. Они строго решили математические уравнения, которые описывают состояние газа звездного диска, и показали, что в дисковых галактиках может существовать твердотельно вращающийся спиральный узор волновой природы.

Что такое волновая природа? Я могу это пояснить на простом примере, который хорошо поймут автолюбители: представьте себе, что вы едете на легковой машине по двухполосной дороге. Правая полоса и левая встречная полоса. Машин довольно много. И вдруг перед вами препятствие в виде медленно ползущей по шоссе фуры. Что произойдет? Вы же не можете ее сразу обогнать, если встречный поток довольно велик. Вы пристраиваетесь в хвост этой фуре, за вами пристраиваются другие водители. И в результате получается так, что за медленно ползущей фурой образуется уплотнение, которое рассасывается после того, как встречный поток иссякает. Фура едет дальше, в хвост ей пристраиваются уже другие машины. Это прямой аналог волны плотности, которая движется вместе с объектом, создающим эту волну.

Объекты в галактическом диске проходят через эту волну.

Поскольку эта волна — зона повышенной плотности, то она своей гравитацией подтягивает к своему положению другие объекты: газы и звезды.

В результате этого плотность в волне дополнительно возрастает. Волна уходит, а звезды остаются, и уплотнение рассасывается. Теперь мы можем видеть уплотнение в другой области галактики. По теории — и пока что мы можем опираться только на теорию — такой спиральный узор должен вращаться в дисках галактик твердотельно, то есть с одинаковой угловой скоростью на всех расстояниях — как грампластинка прежних времен или DVD-диск на проигрывателе компьютера.

Почему мы говорим о волне? Ведь волны, по нашему общему убеждению, могут распространяться в упругих средах. Дело в том, что быстровращающийся газозвездный диск галактики тоже обладает упругими свойствами. Если мы будем его растягивать, то сила тяготения вернет диск в устойчивое положение, будем сжимать — и центробежная сила также вернет в старое устойчивое положение равновесия. Наличие этих механизмов говорит нам о том, что мы имеем дело с упругой средой, в которой по диску могут распространяться спиральные волны.

Спиральное возмущение вращается твердотельно. А диск галактики вращается с разной угловой скоростью: в центральных областях быстро, на периферии медленно. Это означает, что относительная скорость волны и газозвездного диска разная на разных расстояниях от центра галактики: в центральных областях спиральный узор отстает от вращающегося диска, а на периферии он его опережает. Когда разность скоростей превышает скорость звука в газе, то может возникнуть ударная волна — резкое уплотнение газа, и если это уплотнение велико, то оно может стимулировать образование звезд на гребне ударной волны, на фронте ударной волны. Следовательно, образуются звезды, в том числе и массивные горячие голубые, и в результате спиральный узор в первую очередь очерчивает горячие молодые объекты — голубые звезды, хорошо различимые среди других звезд галактики.

Может возникнуть вопрос: за счет чего возбуждается и поддерживается волна в галактиках? Здесь еще не все ясно, но есть несколько достаточно очевидных вещей. Во-первых, спиральный узор может стимулироваться приливным взаимодействием галактик. Но это создает временные, краткоживущие волны: как только галактики удаляются на достаточное расстояние, такая волна угасает. Далее, мы знаем, что в центральных областях очень многих галактик, в том числе и нашей, имеется перемычка — протяженное образование, которое вращается твердотельно. И по наблюдению за другими галактиками мы знаем, что часто спиральный узор тесно связан с конфигурацией перемычки, которую астрономы называют баром. Спиральный узор отходит от концов этого бара. Похоже, что бароподобные возмущения могут приводить к возникновению спирального узора и к его поддержанию.

Рекомендуем по этой теме:
10008
Звездное население галактики

Привычно считать, что наша Галактика является спиральной. Но наше положение в самой толще газа и пыли в диске Галактики не позволяет по пространственному распределению молодых объектов, горячих звезд, судить о том, каковы характеристики нашего спирального узора из-за влияния межзвездной пыли, которая сильно искажает видимое распределение объектов, особенно в синей области спектра и в оптическом диапазоне, где как раз и светят эти объекты. Единственное, что мы можем сказать: в солнечных окрестностях на расстояниях примерно до 10 000 световых лет молодые объекты действительно образуют несколько вытянутых уплотнений ближе к центру Галактики, так называемый фрагмент спирального рукава Стрельца — Киля, и дальше от центра Галактики, за Солнцем — фрагмент спирального рукава Персея, но этот узор пока очень плохо прорисован, и именно поэтому мы не можем сказать точно, сколько в нашей Галактике спиральных рукавов.

В других галактиках спиральных рукавов бывает два или четыре. То, что мы наблюдаем в солнечной окрестности, с равным успехом можно описать и двухрукавным, и четырехрукавным спиральным узором. А самое интересное и неожиданное состоит в том, что влияние пыли искажает пространственное распределение объектов, по которым обычно изучается форма спирального узора. Но по движению звезд какие-то выводы о том, каков спиральный узор нашей Галактики, сделать все-таки можно, хотя с малой степенью надежности. Это связано с тем, что спиральный узор представляет собой волну плотности, волну возмущения гравитационного потенциала, которая искажает движение звезд. И эти характерные движения звезд к гребню спирального рукава в принципе можно измерить, построить модель спирального узора, который объясняет движение звезд в нашей Галактике. Это один из способов изучения ее спирального узора.