Д-р. Денні Фолкнер

З часу свого відкриття галактики не перестають дивувати людський розум. Багато хто з них має форму прекрасних спіралей. Але якби вони оберталися протягом мільярдів років, то хіба не втратили б вони свої чіткі форми рукавів спіралі?

Величезні зоряні острови, звані «галактиками», ширяють у чорному, як смоль, космосі. Передбачувана кількість видимих ​​галактик становить близько 170 мільярдів, і кожна з них містить мільярди або навіть трильйони окремих зірок. Споглядаючи це мерехтливе диво, ми запитуємо себе: «Звідки взялися ці сяючі коштовності?»

У першому розділі книзі Буття нам дано безпомилкову відповідь: у четвертий день Творець створив зірки (Буття 1:16). Астрономи, які заперечують історію, дану нам Богом, що неспроможні знайти альтернативного пояснення походження зірок.

Однією з головних проблем для них є чудові рукави спіралі, які прикрашають багато галактик. Простіше кажучи, ці спіралі мали б втратити свою форму, якби вони існували у стародавньому всесвіті. Але насправді присутність рукавів спіралей доводить, що всесвіт дуже молодий.

Будова галактик

Будь-яке здорове тлумачення походження галактик потребує тривалого пояснення. Галактики розташовані далеко одна від одної, і здається, що між ними немає матерії. Наприклад, наша галактика, яка називається Чумацький Шлях, відокремлена від найближчої галактики значного розміру – Андромеди (M 31) – відстанню у два мільйони світлових років.

У кожній галактиці є величезна кількість зірок. Чумацький шлях і M 31, які є звичайними галактиками, складаються з близько 200 мільярдів зірок кожна, і тягнуться від краю до краю на 100 000 світлових років. Досить цікавий той факт, що інші галактики меншого розміру обертаються по орбіті навколо великих галактик, таких як наша і галактика M 31.

Галактики поділяються на два основні види - спіральні та еліптичні. Еліптичні галактики, як випливає з назви, мають форму еліпса. Спіральні галактики, у свою чергу, мають густу концентрацію зірок у центрі, що називається ядром, та витончені рукави спіралі, що виходять від ядра до зовнішнього краю. Це надає галактиці вигляду завихрення. Звідки ж узялося таке розташування та різноманіття?

Спіралі породжують найбільше суперечок серед учених-астрономів. Починаючи з 30-х років попереднього століття, вчені почали сперечатися про будову та походження рукавів спіралі, і ці суперечки тривають і сьогодні.

Відкриваючи молодий всесвіт

Перш ніж розібратися з технічними труднощами, ми повинні розглянути одну загальноприйняту оману. Багато людей вважають, що зірок багато усередині рукава спіралі, проте між рукавами вони практично відсутні. Насправді ж, купність зірок між рукавами та всередині рукава практично однакова.

Якщо це так, то чому рукави спіралі здаються на вигляд такими яскравими? Причина полягає в тому, що в рукаві спіралі є дуже гарячі та яскраві сині зірки. Світло цих зірок домінує у видимому спектрі, тому рукави спіралі виділяються на фотографіях. Особливо це стосується старих чорно-білих фотографій, які були дуже чутливими до синього кольору. На більш сучасних кольорових фотографіях в інфрачервоній області діапазону рукава спіралей не так сильно виділяються, оскільки більш численні червоні зірки домінують.

Крім яскравих синіх зірок, у рукавах спіралі присутня також безліч пилу та газу. Іноді пил та газ концентруються в «хмарах», які називаються «туманностями». Астрономи називають туманності та сині зірки «супутниками спіралі», оскільки вони викреслюють розташування рукавів спіралі.

Проте ще 1930-х роках астрономи зіткнулися з однією проблемою. Зовнішнім зіркам потрібно більше часу, щоб завершити рух своєю орбітою, ніж зіркам, що усередині спіралі. Оскільки відстань від центру галактики збільшується, рукави спіралі мають ставати нестабільними. Тобто, після кількох обертань, рукави спіралі, мали б розсіятися.

Астрономи багато років сперечалися про напрям руху рукавів спіралі, намагаючись визначити - вони закручуються або розкручуються. Але незалежно від того, якого погляду вони не дотримувалися, якби вік галактик становив щонайменше десять мільярдів років, як зазвичай передбачається, то рукавів спіралей зараз уже не мало бути.

Невдалі припущення

До кінця 1960-х років астрономам здалося, що вони знайшли відповідь на своє запитання. Вони розробили теорію хвильової густини спіралі. Відповідно до цієї концепції, рукави спіралі поводяться в міжзоряному просторі подібно до звукових хвиль. Якщо деякі зовнішні сили стискають міжзоряне місце, у рукавах спіралі з'являються хмари газу та пилу. Крім того, через компресію газу, ймовірно, утворювалися зірки.

Відповідно до цього світогляду, деякі нові зірки мали стати масивними синіми зірками з дуже коротким життєвим циклом (у кращому разі, кілька мільйонів років). Такі зірки були дуже важливими для підтвердження цієї теорії, однак, оскільки, імовірно, вони існують не довго, часу для того, щоб «хвиля» переміщалася і залишала по собі сині зірки, виявляється недостатньо. Тому у своїй теорії вони припустили, що тут на сцену виходила гравітація галактики та завершувала процес збирання матеріалу та формування зірок.

Деталі теорії хвильової щільності спіралі важко довести, однак у цього світогляду досі є непохитні прихильники. До 1990 років вчені вивчили невеликі галактики-супутники, і дійшли висновку, що вони можуть бути тим самим механізмом, який підтримує форму спіралі, проте й цю теорію довести досить складно.

Темна матерія?

За останнє десятиліття астрономи отримали докази існування темної матерії, що ускладнює загальну картину. Темна матерія цікава тим, що вона не випромінює світла, проте її загальна маса набагато перевищує загальну масу освітленої матерії, а її гравітація має найбільший вплив на структури тіл усередині галактики, а також на весь космос.

Факти свідчать, що темна матерія перебуває у зовнішніх шарах галактик. Більшість астрономів сьогодні вважають, що саме темна матерія допомагає спіралям галактик підтримувати життя. Однак навіть найкращий доказ існування темної матерії – більш висока швидкість обігу зовнішніх шарів галактик, ніж передбачалося – може лише посилити, а не вирішити проблему існування спіралей.

Креаціоністи давно стверджують, що рукави спіралі не повинні існувати у стародавньому всесвіті, тому наявність рукавів спіралі вказує на дуже молодий вік всесвіту. Однак, оскільки більшість астрономів-еволюціоністів починають свої дослідження з припущення, що вік всесвіту становить мільярди років, вони переконані в існуванні деяких механізмів, які продовжують підтримувати спіральну форму галактик. Якби в них насправді були б переконливі відповіді на ці запитання, вони перестали б висувати все нові припущення. Їхні помилки свідчать про те, що аргументи креаціоністів не слід скидати з рахунків.

Нещодавно було розроблено ще один метод. Астрономи фотографували віддалені галактики, що знаходяться на відстані 12 мільйонів світлових років від Землі. Припустивши, що приблизно 13,7 мільярда років тому стався «великий вибух», вони вважають, що ці галактики є наймолодшими у всесвіті. Вони практично нічим не відрізняються від сусідніх (і, ймовірно, старіших) галактик, і практично ідентичні на вигляд. Інакше висловлюючись, і тут ми не спостерігаємо еволюційних процесів.

Спираючись на теорію недавнього створення, ми можемо припускати, що далекі галактики мають виглядати так само, як і ближні, проте еволюційна модель цього не може допустити. Скажімо ще раз: Боже Слово проливає непорушне світло на походження та будову Його великого всесвіту.

Доктор Денні Фолкнерє професором фізики та астрономії при Ланкастерському університеті штату Південна Кароліна. Він написав безліч статей для астрономічних журналів, а також автор книги « Всесвіт, створений за розумним задумом».

Які характеризуються такими фізичними властивостями:

• значний сумарний обертальний момент;
• складаються з центрального балджа (майже сферичного потовщення), оточеного диском:
  • балдж має схожість з еліптичною галактикою, що містить безліч старих зірок - так зване "Населення II" - і нерідко надмасивну чорну дірку в центрі;
  • диск є плоским освітою, що обертається, що складається з міжзоряної речовини, молодих зірок «Населення I» і розсіяних зоряних скупчень.

Спіральні галактики названі так, тому що мають усередині диска яскраві рукави зоряного походження, які майже логарифмічно простягаються з балджу. Хоча іноді їх нелегко розрізнити (наприклад, у флоккулентних спіралях), ці рукави є основною ознакою, за якою спіральні галактики відрізняються від лінзоподібних галактик, для яких характерна дискова будова та відсутність яскраво вираженої спіралі. Спіральні рукави є області активного зіркоутворення і складаються здебільшого з молодих гарячих зірок; саме тому рукави добре виділяються у видимій частині спектру. Абсолютна більшість спостережуваних спіральних галактик обертається у бік закручування спіральних гілок.

Диск спіральної галактики зазвичай оточений великим сфероїдальним гало, що складається зі старих зірок «Населення II», більшість яких зосереджена в кульових скупченнях, що обертаються навколо галактичного центру. Таким чином, спіральна галактика складається з плоского диска зі спіральними рукавами, еліптичного балджа та сферичного гало, діаметр якого близький до діаметра диска.

Багато (у середньому дві з трьох) спіральні галактики мають у центрі перемичку ( «бар»), від кінців якої відходять спіральні рукави. У рукавах міститься значна частина пилу і газу, а також безліч зоряних скупчень. Речовина у них обертається навколо центру галактики під дією гравітації.

Маса спіральних галактик досягає 10 12 мас Сонця. Найбільшою відкритою на даний момент спіральною галактикою є NGC 6872, загальна довжина якої становить 522 тисяч світлових років, що в п'ять разів більше, ніж діаметр Чумацького шляху.

Спіральні рукави

Відомий наступний парадокс: час звернення зірок навколо ядра галактики становить близько 100 мільйонів років; вік самих галактик у кілька десятків разів більший. Тим часом спіралі закручені зазвичай на невелику кількість обертів. Парадокс пояснюється тим, що приналежність зірок спіралям не постійна: зірки входять в область, яку займає спіральний рукав, на деякий час уповільнюють свій рух у цій галузі, і залишають спіраль. Тим часом спіраль, як область підвищеної густини речовини в диску спіральної галактики, може існувати необмежено довго - спіралі подібні до стоячих хвиль.

Спіралі галактик можуть несильно відрізнятися за кількістю зірок від навколишнього диска, але можуть бути суттєво яскравішими. Газові хмари, перетинаючи спіраль, відчувають стиск або розширення, що породжують ударні хвилі в газі. Все це призводить до порушення рівноваги в хмарах та інтенсивного зіркоутворення в області спіралі. А якщо врахувати, що час життя найяскравіших гігантів і надгігантів у тисячі разів менший, ніж вік Сонця, то виходить, що більшість яскравих блакитних зірок зібрано в невеликому обсязі спірального рукава: надгіганти не встигають залишити спіраль за кілька мільйонів років, які існують до вибуху наднової . Як наслідок, велика кількість блакитних надгігантів надає спіралям галактик яскравого блакитного відтінку.

Розташування Сонця

Сонце цікаво тим, що розташоване між спіральними рукавами Галактики і робить оберт навколо центру Галактики точно за той же час, що і спіральні рукави. Як наслідок, Сонце не перетинає області активного

Спіральна структура галактик

Спіральні гілки (рукави) - характерна риса т.зв. спіральних галактик, до яких належить і наша . Гілки містять порівняно малу частину всіх зірок галактики, але вони явл. одним з найпомітніших галактич. утворень, т.к. у них зосереджено майже всі гарячі зірки високої світності. Зірки цього відносять до молодим, тому спіральні гілки можна вважати місцем утворення зірок. Крім молодих зірок у рукавах зосереджена більшість міжзоряного газу галактики, з к-рого, по совр. уявленням, і утворюються зірки. За характером спіральних гілок і за деякими ін. особливостям спіральні галактики діляться на класи. У галактиках класу Sa (за класифікацією Хаббла, див.) гілки щодо тонкі (200-300 пк) і туго навиті, у галактик класу Sc вони більш розмиті (дифузні) і круто віддаляються від центральної області. До спіральних галактик близькі галактики з перемичкою (баром), від кінців до-рой зазвичай відходять спіральні гілки. Одна з найпоширеніших класифікацій спіральних галактик належить франц. астроному Ж. Вокулер, вона наведена на рис. 1. Літери A, B, AB характеризують сімейства спіральних галактик. SA позначає нормальну спіральну галактику, SB – з перемичкою (баром), SAB – перехідні форми. Крім сімейств, як видно із рис. 1, враховуються різновиди (кільцева - rспіральна s, змішана - rs).

Газ у спіральних рукавах складається переважно з водню. Зазвичай він практично неіонізований (нейтральний водень, HI), але навколо гарячих зірок водень іонізований (). Газ часто утворює щільні дифузні туманності, а також службовці орієнтиром щодо виду спіральних гілок. Ще однією ознакою гілок явл. розсіяна в газі , що виявляється по поглинанню, що виробляється нею. Вона видно як тонка темна смуга по внутрішньому (ближче до центру галактики) краю спіральної гілки. Крім того, у рукавах спостерігаються тонкі смужки, що перетинають рукави (рис. 2) та окремі темні маси. Концентрація зірок, що утворюють галактич. диск теж дещо збільшується у гілках, але не так сильно, як концентрація газу.

Зірки, газ та ін об'єкти галактич. диски рухаються орбітами, близькими до круговим. Експериментально встановлено, що кутова швидкість руху як ф-ция радіуса, тобто. , зменшується з віддаленням від центру галактики. При такому характері обертання великі газові хмари або інші протяжні утворення розтягуються і стають схожими на частину спіральної гілки. Однак спіральні гілки не могли виникнути таким шляхом. Диференціальне обертання здатне створити структури, схожі на рукави, що спостерігаються, менше ніж за 10 9 років. Протягом дек. оборотів Галактики, вік якої перевищує 10 10 років, такі структури повинні були зруйнуватися, просторовий розподіл водню, пилу і гарячих зірок стати нерегулярним, чого в більшості випадків не спостерігається.

Б. Ліндблад (Швеція) першим висловив ідею про те, що спіральні гілки можуть бути хвилями густини. У 1964 р. Ц. Лін і Ф. Шу (США) показали, що в галактиках дійсно можуть існувати хвилі щільності спіралеподібної форми, що обертаються з кутовою швидкістю (тобто форма фронту таких хвиль не спотворюється диференціальним обертанням галаактич. диска) і поширюються за радіусом з певною груповою швидкістю vгр. Оскільки в Галактиці газу мало (2-5%), то хвилі поширюються по зоряному населенню, в якому вони можуть збуджуватися, а газ вже реагує на обурення, пов'язаного з хвилями, що біжать по системі зірок, тобто. його рух у гравітації. поле рукавів явл. несамоузгодженим.

Галактики є т.зв. беззіткувальні зіркові системи, т.к. час між двома послідовними зближеннями к.-л. зірки з ін. зіркою на 3-4 порядки більше віку галактики. Тому можливість поширення хвиль у таких системах є досить незвичайною. Тут гнучкість, необхідна поширення хвиль щільності, обумовлена ​​силами Коріоліса, що призводять до епіциклічного руху зірок, тобто. зрештою - обертання системи.

У хвилі концентрація зірок збільшується незначно (відповідна зміна гравітаційного потенціалу 10-20%). Однак реакція міжзоряного газу навіть на таку значну зміну гравітацій. потенціалу галактики велика: розганяючись у полі спіральної хвилі зоряної щільності, газ набуває надзвукової швидкості і стискається в дек. разів. Це може призвести до виникнення глобальної ударної хвилі, що охоплює більшу частину диска, в міжзоряному газі. Одним із спостережних проявів гальмування газу в ударній хвилі (газ наздоганяє при своєму галактич. Руху рукава і потім гальмується) явл. темні смуги щільного газу з пилом на внутр. кромці спіральних рукавів (рис. 2). Стиснення газу може бути спусковим механізмом (тригером) освіти зірок. Справді, індикаторами спіральної структури зазвичай служать молоді OB-зірки та їх асоціації, зони HII, залишки наднових спалахів, молекулярні темні хмари, H 2 O-мазери, джерела -випромінювання (див. ). При протіканні міжзоряного газу через спіральні рукави у ньому можуть відбуватися свого роду фазові переходи із заснуванням хмарної структури. Це проливає світло на походження співіснуючих одночасно різних фаз (холодної, теплої, гарячої) міжзоряного газу.

Хвильова теорія спіральної структури галактик розроблена досить детально та допускає кількісне порівняння зі спостереженнями. Однак є низка невирішених проблем. Регулярний спіральний візерунок спостерігається далеко не у всіх галактиках, часто видно досить нерегулярна структура, що складається з багатьох коротких утворень, які лише "в цілому" формують подобу спіральних рукавів. Регулярний глобальний спіральний візерунок спостерігається зазвичай у галактик, що мають бар, і галактик з "супутниками" (рис. 2). У таких випадках регулярна структура знаходить пояснення. Так, наявний у центрі галактики бар діє як генератор, що збуджує та підтримує хвилі щільності. Галактика-супутник, як свідчать розрахунки на ЕОМ, також може збуджувати спіральні хвилі щільності в осн. галактиці, завдяки припливним силам, що тут виникають.

Незважаючи на те, що хвильова інтерпретація спірального візерунка галактик явл. практично загальноприйнятою, в рамках самої хвильової теорії існують точки зору, остаточний вибір між якими можуть допомогти зробити тільки спостереження. Якщо Галактику з усіма її підсистемами розглядати як нескінченно тонкий диск з деякою пор. дисперсією швидкостей зірок і поверхневою щільністю, що відповідає проекції повної щільності в даній точці, і приписати цій моделі криву обертання галактики, що спостерігається, то геометрія дворукавного візерунка виявляється збігається з спостерігається при 13 км/(скпк) для певного типу хвиль щільності. Згідно з іншою точкою зору, тип хвиль щільності визначається плоскою підсистемою і дисперсією швидкостей її компонентів, яка набагато менше значення, прийнятого в першому випадку. При цьому геометрія візерунка, що спостерігається, краще описується ін. типом хвиль з 24 км/(скпк). Є ряд теоретич. міркувань та даних спостережень, які свідчать, мабуть, на користь того, що в Галактиці реалізується другий випадок. Якщо це так, то Сонце в Галактиці знаходиться у винятковому положенні, що може мати далекосяжні наслідки для космогонії Сонячної системи та походження в ній життя. Оскільки галактич. диск обертається диференціально, а спіральні рукави - твердо, в Галактиці повинна існувати коло, на якій кутові швидкості диска і хвилі щільності рівні. Таке коло зв. коротаційний (від англ. corotation - спільне обертання). Її радіус R=R Cвизначається умовою. Оскільки в кожній спіральній галактиці може існувати тільки одне таке коло, то, очевидно, вона явл. виділеною. Кутова швидкість обертання Сонця Галактиці 25 км/(скпк), відстань Сонця до центру Галактики 10 кпк. Якщо 24 км/(скпк), то, згідно моделі Шмідта (1965 р.), напр., 10,3 кпк. Це означає, що галактич. орбіта Сонячної системи близька до коротаційного кола і, отже, перебуває у особливому становищі.

У глухих областях космічного простору нещодавно виявили новий вигляд галактик, який умовно назвали «супер спіралі». Вони мають воістину велетенські розміри, за всіма параметрами перевершують наш Чумацький Шлях і можуть конкурувати розмірами та яскравістю з найбільшими галактиками, які були виявлені у Всесвіті.

Суперспіральні галактики, як виявилося, довгий час перебували на очах у астрономів - вони просто вдало мімікрували під типові спіральні галактики. Нове дослідження проводилося з використанням архівних даних НАСА і воно показало, що ці, на перший погляд, близькі до нас галактики насправді дуже далеко, а здаються близькими, тому що мають велетенські розміри. Тут же перед дослідниками постало нове питання: як взагалі можливе існування таких спіральних галактик.

«Ми виявили раніше невідомий клас спіральних галактик, які такі ж величезні та яскраві, як найбільші галактики, відомі нам. Якщо говорити зрозумілою мовою, то це те саме, якби ми виявили на Землі нову невідому істоту розмірами зі слона, але досі невідому зоологам», - Патрік Огл із Каліфорнійського технологічного інституту, провідний автор статті, опублікованої у виданні The Astrophysical Journal.

Одна з трьох галактик із двома ядрами, її найменування 2MASX J08542169+0449308. Джерело: SDSS

Огл і його колеги випадково натрапили на ці супер спіралі, коли займалися пошуками надзвичайно яскравих, масивних галактик у надрах архіву NED (NASA/IPAC Extragalactic Database). Цей архів являє собою онлайн-репозиторій, що містить інформацію про більш ніж сто мільйонів галактик. NED об'єднує дані з багатьох різноманітних проектів, включаючи ультрафіолетові спостереження орбітального апарату GALEX, наземного Слоанівського цифрового огляду неба, огляду 2MASS та окремих апаратів «Спітцер» і WISE.

Це дивне відкриття класу гігантських спіральних галактик відбулося тільки завдяки рутинному аналізу бази даних галактик NED. Таким чином, можна сказати, що рутинна, систематична та послідовна робота з узагальненими за всіма проектами архівами теж приносить плоди. Ми впевнені, що в надрах архіву міститься інформація про ще багато таких самородків. Залишилося нам лише навчитися ставити правильні питання», - Джордж Хелоу, співавтор досліджень та керівник архіву.

Спочатку Огл, Хелоу та їхні колеги справедливо вважали, що величезні, зрілі галактики, що відносяться до класу еліптичних через їхню незвичайну форму, будуть домінуючими елементами в дослідженій архівній інформації. Але, як виявилося, вчених очікувало величезне здивування. Із загальної бази даних було обрано приблизно 800 000 галактик, що знаходяться від нас на відстані не більше 3.5 мільярда світлових років. Дивним виявилося те, що 53 з найяскравіших галактик мали форму спіралі, а не еліпса. Дослідники перевіряли ще раз відстані до цих галактик, виявилося, що вони розташувалися ще на 1.2 мільярди світлових років далі, ніж спочатку передбачалося. Отримавши правильну оцінку відстаней, були виявлені приголомшливі розміри та властивості цього нововідкритого класу спіральних галактик.

Ще одна галактика, яку можна зарахувати до суперспіральних. Її ім'я 2MASX J16014061+2718161, вона також має два ядра. Джерело: SDSS

Як зараз вдалося встановити, суперспіральні галактики можуть мати яскравість, більшу яскравість Чумацького Шляху від 8 до 14 разів, вони вдесятеро масивніші за нашу Галактику. Їхні яскраві диски, заповнені зірками, мають діаметр у 2–4 рази більший за наш, а найбільша відома спіральна галактика на сьогоднішній день має 440000 світлових років у діаметрі. Суперспіральні галактики випромінюють сильне ультрафіолетове та середнє інфрачервоне випромінювання. Це означає, що в їх надрах активно протікають процеси утворення нових зірок, темп їх народження приблизно в 30 разів вищий, знову ж таки, порівняно з нашою Галактикою.

Згідно з нинішньою астрофізичною теорією, спіральні галактики не можуть ніяким чином бути в змозі досягти будь-якої з цих дивовижних особливостей, не кажучи вже про те, щоб мати всі ці властивості відразу. Справа в тому, що спіральні галактики зростають за допомогою захоплення холодного газу з міжгалактичної речовини. У якийсь момент маса звичайної спіральної галактики досягає таких великих значень, внаслідок чого захоплений газ починає пересуватися всередину дуже швидко. Через це утворюється тертя речовини та відбувається нагрівання, а підвищення температури починає гальмувати наступні процеси народження нових зірок. Але, як ми тепер усі дізналися, виявляється, що спіральні галактики не підкоряються цьому закону.

Одна із найбільших суперспіральних галактик SDSS J094700.08+254045.7. Діаметр її диска становить близько 320 000 світлових років.

У великих спіральних галактиках, на кшталт тієї, де ми живемо, повна маса зірок становить близько 100-200 млрд. мас Сонця. Якщо поділити це число на ймовірний вік галактик (10-20 млрд. років), то ми отримаємо середню швидкість утворення зірок із газу за всю історію галактики, яка дорівнює 5-20 сонячних мас на рік. Однак темп зореутворення поступово зменшується з часом, тому зараз у більшості випадків він становить для більшості спіральних галактик 1-5 мас Сонця на рік. А кілька молодих зірок на рік - це не так уже й багато.

Молоді зірки утворюються часто по всій галактиці. Темпи зіркоутворення залежать від відстані від центру галактики приблизно так, як показано на рис. 6. Хоча молоді зірки можуть бути (у невеликій кількості) поблизу центру галактики, переважна більшість їх пов'язана зі спіральними гілками. Утворення зірок за межами оптично спостерігаються гілок практично не відбувається, незважаючи на те, що в ряді галактик там знайдено міжзоряний газ.

Темп зіркоутворення відрізняється і різних типів спіральних галактик. У галактиках Sa він, зазвичай, менше, ніж у галактиках Sc. Зазвичай у спіральних гілках Sa-галактик не спостерігається окремих блакитних зірок або яскравих областей Н II - вони там не тільки рідше зустрічаються, а й слабші за світністю (останнє поки що є загадкою).

Щоб зрозуміти, як відбувається народження зірок у галактиках, важливо з'ясувати, звідки з'являються спіральні гілки і чому зірки виникають переважно в них?

Якщо подивитися на фотографії деяких спіральних галактик, то може здатися, ніби вся галактика, крім невеликої частини в центрі, складається зі спіралей. Але таке враження помилкове. Провівши спеціальні виміри, можна переконатися, що навіть у галактиках з добре розвиненою структурою світність спіральних гілок (і особливо маса) становить невелику частину світності (або маси) всієї галактики. Виділяються вони на загальному зоряному тлі тому, що в спіралях зібрані найяскравіші об'єкти галактик: гарячі зірки з температурою, на поверхні 20-30 тис. градусів, скупчення молодих зірок, зіркові асоціації та масивні газові хмари, що яскраво флюорескують під дією ультрафіолетового випромінювання. зірок. Зірки з великою світністю та високою температурою живуть набагато менше, ніж «звичайні» зірки типу нашого Сонця. Тому ми спостерігаємо їх лише неподалік місць, де вони народилися. Їх концентрація в спіральних гілках говорить про те, що гілки в галактиках - це довгим ланцюжком, що витягнулися, або смугою області, де відбувається величний процес зародження зірок. Щоправда, відомі галактики, де ми бачимо молоді зірки, а спіральних гілок вони не мають. У таких галактиках зазвичай багато міжзоряного газу. Схоже, що спіральні гілки просто полегшують та прискорюють утворення зірок, роблячи цей процес ефективним, навіть коли залишається мало необхідної для нього «сировини» – міжзоряного газу.

Спіральна форма гілок може бути пов'язана із обертанням галактик. Це обертання таке, що його кутова швидкість зменшується на відстані від центру галактики. Звідси випливає, що окремі частини галактики оббігають навколо галактичного центру з різними періодами, і якщо чимось виділити в диску, що обертається, досить велику область, то вже менше ніж через один оборот вона перетвориться на сегмент спіралі.

Уявімо тепер собі, що в кількох областях у площині галактики газ ущільнився і виникли осередки зіркоутворення. Тоді диференціальне обертання галактики дуже швидко (якщо можна назвати швидким процес, що йде десятки мільйонів років) "розмаже" кожну таку область у сегмент - "обривок" спіральної гілки. І справді, «уривки» спіральних гілок у деяких галактиках спостерігаються. Напевно, вони є у кожній зірковій системі, де осередки зіркоутворення можуть розтягуватися диференціальним обертанням. Але це не вирішення проблеми, оскільки в багатьох галактиках спіральні гілки свідомо не є сегментами. Їх вдається простежити протягом одного і навіть більше обертів довкола ядра. Тільки процес, що охоплює значну частину всієї галактики, може призвести до утворення спіральних гілок.

Може, спіральні гілки – це просто викиди речовини з центру галактики? Але, по-перше, спіральні гілки далеко не завжди «дотягуються» до центру (у галактиках з перемичкою вони, наприклад, відходять від неї під прямим кутом), а, по-друге, речовина спіральних гілок (зірки, міжзоряний газ) обертається навколо центр галактики по орбітах, близьких до кругових, а не рухається радіально, як можна було б очікувати у разі викиду. До того ж викиди повинні відбуватися часто, щоб можна було пояснити широку поширеність спіральних галактик.

У такому разі спіральні гілки, можливо, є вигнутими трубками порівняно щільного міжзоряного газу, в якому утворюються зірки? Спостереження нейтрального міжзоряного водню не суперечать такому припущенню, але що може утримувати газ у таких трубках, чому він не розлетиться на всі боки? Власне гравітаційне поле газу утримати його не може: дія гравітації призведе лише до того, що газова трубка розіб'ється на окремі конденсації та зруйнується. Та й диференціальне обертання галактики швидко розтягне трубку, поки вона через 1-2 обороти не «закрутиться» зовсім. Тож таким шляхом спіральні гілки пояснити не вдається.

Тоді, може, може врятувати трубку газу від руйнування магнітне поле? Але і на цьому шляху трапляються великі труднощі: щоб спіральна гілка-трубка оберталася як ціле, необхідно мати магнітне поле із щільністю енергії, у кілька сотень разів більшої відповідної величини для поля в міжзоряному газі нашої Галактики. Навряд чи це можливо: таке поле призвело б до ефектів, що легко виявляються, і його присутність тим чи іншим шляхом видало б себе.

Рішення (чи єдине?) проблеми існування спіральних гілок вдалося знайти на іншому шляху, розглядаючи їх не як суцільні трубки, а як області, де особливо близько один до одного розташовуються орбіти зірок, що обертаються навколо центру галактики (наприклад, так, як показано на рис 7). Спіральні гілки з цієї точки зору є лише ущільненнями в зірковому диску, які не включають в себе весь час одні й ті ж об'єкти, а переміщаються по диску галактики, не переносячи з собою речовини, як не переносять його хвилі, що поширюються поверхнею води.

Першим, хто почав розробляти такий підхід до пояснення природи спіральних гілок, був шведський математик Б. Лінблад. Починаючи з 1960-х років, теорія спіральних гілок як хвиль щільності стала швидко розвиватися завдяки новому гідродинамічному підходу до поширення хвиль щільності, запозиченому з плазмової фізики. Цей підхід був застосований до вивчення хвиль стиснення зі спіральним фронтом, що поширюються на газо-зірковому диску галактики. Згідно з хвильовою теорією утворення спіральних гілок диференціальне обертання галактики не повинно руйнувати спіральну структуру, тому що на відміну від зіркового диска спіральний візерунок обертається з постійним періодом, подібно до малюнка на твердій поверхні дзиги. При цьому і зірки і газ рухаються щодо спіральних гілок, періодично проходячи через фронт хвилі. На рух зірок таке проходження позначається мало: їхня щільність у спіральній гілки стає лише трохи (на кілька відсотків) вищою. Інша справа – міжзоряний газ. Його можна розглядати як суцільне середовище, що легко стискається, щільність якого при проходженні через «гребінь» хвилі повинна різко зростати. Тут і криється у відповідь питання, чому спіральні гілки - місце народження зірок. Адже стиснення міжзоряного газу сприяє його швидкій конденсації у хмари, а потім і у зірки.

Процес проходження газу через спіральну гілку неодноразово розглядався теоретично. Результати розрахунків показують, що коли газ «входить» у спіральну гілку, його щільність і тиск різко зростають (у деяких випадках виникає ударна хвиля), і відбувається швидке розбиття газу на дві фази: щільну, але холодну (хмари) і розріджену, але з температурою 7-9 тис. градусів (міжхмарне середовище). Якщо маса хмар велика – кілька сотень мас Сонця, то зовнішній тиск гарячого середовища може стиснути їх настільки, що хмари стануть гравітаційно нестійкими та зможуть стискатися (до утворення зірок). Одночасно і незалежно діє інший механізм збільшення щільності газу. Він пов'язаний з тим, що міжзоряний газ у магнітному полі галактики утворює нестійку систему. Газові хмари як би «зісковзують» по силових лініях магнітного поля, опускаючись до самої площини зіркового диска – так звані «потенційні ями». Там вони накопичуються і зливаються у великі газові комплекси, де й відбувається утворення зірок. Ці комплекси газу, нагріті зірками, і створюють клапчастий вид спіралей у галактиках, багатих міжзоряним газом.

Зірки, що з'явилися в результаті цих процесів, продовжують свій рух по галактиці з тими швидкостями, якими володів газ, що породив їх, і поступово - за десятки мільйонів років - виходять зі спіральної гілки. Але за цей час найяскравіші зірки вже встигають постаріти і перестають випромінювати багато енергії («погаснуть» і газові хмари, що світилися завдяки цим зіркам). Тому ми майже завжди спостерігаємо яскраві зірки та гарячий міжзоряний газ саме у спіральних гілках, а не по всій галактиці. Більше того, ці об'єкти (а також темні «прожилки» пилу, поява яких, мабуть, пов'язана зі стисненням газу) концентруються не просто до спіральних гілок, а до їх внутрішньої сторони – саме там, де, згідно з хвильовою теорією, очікується «входження» газу у хвилю ущільнення та його стиск.

Після проходження спіральної гілки міжзоряний газ знову стає розрідженим – один атом на кілька кубічних сантиметрів простору. Через фронт хвилі проходять нові маси газу, виникають нові осередки зіркоутворення.

Висновок про те, що спіральні гілки галактик можуть бути утворені хвилями щільності, знаходить своє підтвердження і в розрахунках (за допомогою швидкодіючих ЕОМ) руху великої кількості матеріальних точок, що імітують зірки та газ галактичного диска. Ці розрахунки показали, що газ у своєму русі справді може утворювати яскраво виражену спіральну структуру.

При поясненні природи спіральних гілок хвильова теорія зустрілася із серйозною проблемою: хвилі щільності виявилися не «вічними». Вони повинні повільно згасати і зникли б, проіснувавши не більше 1 млрд. років, якщо не збуджувалися б знову або не підтримувалися будь-яким джерелом енергії. Тому перед вченими постало ще одне завдання: з'ясувати, яке джерело чи, краще сказати, механізм збудження хвиль густини?

Таких механізмів було запропоновано кілька, проте, який їх грає основну роль галактиках, поки незрозуміло. Збудити хвилі може і взаємодія двох зіркових підсистем галактик, якщо одна обертається швидко, а інша - повільно (зоряний диск і сфероїдальна складова галактики), і гравітаційна нестійкість міжзоряного середовища на периферії галактик, і неосесиметричний розподіл мас, що часто спостерігається поблизу центру галактик. можливо, викиди з її центрального ядра.

Взагалі кажучи, як хвилі на воді або звукові хвилі в повітрі можна збуджувати великою кількістю способів, так і хвилі щільності в галактиках можуть збуджуватися різними шляхами - результат буде один: спіральна структура.

Остаточна перевірка правильності хвильової теорії походження спіральних гілок галактик, мабуть, є недалеким майбутнім. Але поки що наші знання про природу спіральних гілок далеко не повні і всі припущення та розрахунки ще потребують підтвердження. Та й форма спіральних гілок часто надто складна, щоб вважати їх математично правильною спіраллю. Гілки можуть бути і широкими і вузькими, відхилятися від форми спіралі, зливатися, розгалужуватися, з'єднуватися перемичками, утворювати кілька незалежних «ярусів» і т. д. яких ніби закручуються в різні боки!). Пояснити це різноманіття форм поки що не вдається. Нарешті, в деяких зоряних системах спіральні гілки мають явно нехвильову природу, хоча їх форма, мабуть, все ж таки пов'язана з обертанням галактики. Це стосується не тільки спіральних «уривків» усередині галактик. Відомо чимало випадків, коли спіральні гілки виходять за межі самих галактик! Широкі і неяскраві, вони тягнуться нерівною смугою, часом багато десятків тисяч світлових років через периферійні області зоряних систем, йдучи в міжгалактичний простір. Спостерігаються вони майже виключно там, де є дві або кілька так званих галактик, що взаємодіють. Один з піонерів вивчення взаємодіючих галактик - Б. А. Воронцов-Вельяминов виявив велику кількість близьких один до одного галактик, одна або дві з яких мають дивні міжгалактичні гілки, не завжди спіральними за своїм виглядом (рис 8). Подібні гілки в деяких випадках можуть виникнути при дії на зоряну систему гравітаційного поля сусідньої галактики. Зовнішнє гравітаційне поле може змінити внутрішню структуру галактики (адже вся її речовина рухається під впливом сил гравітації). Коли галактика підходить інша масивна зіркова система, виникають сили, які прагнуть зруйнувати галактику. Але найчастіше до повної руйнації справа не доходить. Частина зірок відривається від основного тіла галактики і за певних умов може утворити один або два «струмені», що викривляються через те, що зірки до цього оберталися навколо центру галактики. Виходять спіралі із відірваних від галактики зірок. Якщо зіркова система не оточена досить щільним газовим середовищем або не має розміру, набагато більшого, ніж припускають зараз, то доля таких спіралей проста - пройдуть сотні мільйонів років і спіралі зникнуть: зірки, що входять до них, «впадуть» назад або назавжди покинуть галактику. Правильність подібних уявлень підтверджується розрахунками взаємодії зіркових систем, що проводилися на ЕОМ.

Але що дивно: можна знайти такі галактики, у яких зовнішні гілки «стикуються» зі звичайними спіральними гілками. Отже, збудження хвиль щільності може бути пов'язаним із зовнішнім впливом. Виходить, що одна галактика може на відстані впливати на утворення зірок (а значить, і планет) в іншій, сусідній галактиці (Є підстави вважати, що наша Галактика також несе сліди взаємодії з сусідніми системами - БМО та ММО). , що перетинає більш ніж півнеба «рукав» розрідженого холодного нейтрального водню, пов'язаний з цими двома сусідніми галактиками.