Мир Галактик (Галактики и звездные системы)

Страница 3

Спиральные галактики не выглядели бы особенно интересными без своей спиральной структуры - без нее они бы, разумеется, не были спиральными Галактиками, но все обстоит еще хитрее. Если спиральная галактика образуется потому, что вращение заставляет газ коллапсировать на плоскость, то спиральная форма рукавов кажется естественным результатом - вроде узора, образуемого сливками, которые наливают при помешивании в чашку кофе, или вроде воды, уходящей через сток. Эти ситуации не являются строгими аналогами галактики, но хорошо иллюстрируют закономерность: где есть вращение, там обычно бывает и спиральная структура. Поэтому на протяжении многих лет астрономов особенно не беспокоила спиральная форма многих галактик - она казалась совершенно естественной.

Первая серьезная трудность возникла, когда кому-то пришло в голову задать вопрос: как долго существует в галактике спиральный рукав? Известны периоды вращения галактик, типичные значения которых для звезд, расположенных на расстоянии от ядра, эквивалентном расстоянию Солнца до центра Галактики, составляют несколько сотен миллионов лет. Известны возрасты ближайших галактик - около 10 миллиардов лет. Если спиральная структура возникает из-за того, что внутренняя часть галактики вращается со скоростью, отличной от скорости внешней части, то рукава должны постепенно закрутиться в спиральный узор. Однако для галактики с возрастом, характерным для окружающих нас галактик, число оборотов узора должно быть очень большим - примерно равным возрасту, деленному на средний период вращения - около 100. У реальных спиральных галактик - по крайней мере у тех, что имеют четкие непрерывные спиральные ветви, наблюдается закрутка спирального узора лишь на один-два оборота. Встает вопрос: "замораживаются" ли спиральные рукава каким-то образом, что позволяет им сохраниться? Или же они закручиваются до исчезновения, чтобы смениться новыми? Или же есть для них возможность не участвовать в общем вращении звезд и газа, что позволяет им вращаться медленнее?

Проблема не в том, что мы не можем придумать, как создать спиральную структуру: любая "капля", вращающаяся, как галактика с различными периодами вращения на различных расстояниях от центра, создает спиральный узор. Проблема в том, как галактика приобретает спиральную форму, которая сохраняется. В настоящее время существует три типа ответов, и мы еще не знаем наверняка, какой же из них правильный. Возможно, что все являются правильными в том или ином случае, и спиральная структура даже одной индивидуальной галактики может иметь смешанное происхождение.

По-видимому, самым аккуратным и элегантным для спиральных галактик является объяснение, известное под названием теории волн плотности. После развития шведским астрономом Бертилом Линдбладом многих связанных с ней теоретических идей, теория волн плотности была полностью разработана и успешно применена в 60-х годах к галактикам Ц. Ц. Лином и его студентами в Массачусетсском технологическом институте. Они показали, используя математический анализ устойчивости плоского звездного диска, что отклонение от регулярной формы в начальном распределении газа может стать устойчивым и постепенно превратиться в двухрукавный спиральный узор, вращающийся значительно медленнее звезд. Входя в рукав, звезды на время замедляются, что приводит к повышенной плотности в рукаве, а потом продолжают движение за фронтом волны. На границе фронта должна возникать ударная волна в газе, которая может вызвать процесс звездообразования, и поэтому в некоторых галактиках наблюдается концентрация активных газовых облаков и новообразованных звезд в рукавах (см. рис. Галактики NGC1232). Форма спиральных рукавов в рамках этой гипотезы очень похожа на форму реальных спиральных рукавов в небольшом количестве галактик с "совершенной" спиральной структурой - таких, как М81. Однако она не подходит для описания более распространенного типа галактике чрезвычайно несовершенными рукавами - фрагментарными, размытыми и нечеткими.

Теория, лучше всего применимая в случае таких галактик опирается на действие весьма простых искажений любой структуры, вызываемых дифференциальным вращением галактики. Вместо наличия постоянно существующего набора рукавов эта гипотеза предсказывает непрерывное рождение и распад спиральных сегментов. Многие первооткрыватели в этой области считали, что такой метод может работать, нужно было лишь найти способ восстановления рукавов. В 1965 г. был создан компьютерный фильм, изображавший весь процесс в действии. В этом фильме в качестве модели использовалась галактика М31 в предположении случайного (стохастического) процесса возникновения областей звездообразования. При рождении такие области проявляют себя как яркие участки повышенной активности. Вперед дифференциальное вращение вытягивает их в длинные узкие сегменты спиральной формы, и эти области постепенно тускнеют по мере того, как расходуется сконцентрированный в них газ. Само собой, результатом является не совершенный двухрукавный спиральный узор, а скорее набор спиральных фрагментов, покрывающих галактику и придающих ей некоторое подобие спиральной формы, но с рукавами, которые нельзя проследить на протяжении более чем несколько десятков градусов.

Созданные в компьютерном фильме системы по форме напоминают многие спиральные галактики и поэтому вероятно, что в таких объектах преобладают стохастические процессы наподобие упомянутого выше. Это особенно верно для некоторых видов идеальных областей звездообразования, содержащих последовательность участков на разной стадии активности: спереди находится гигантское молекулярное облако, которое собирается конденсироваться в звездное скопление, за ним - газовое облако, освещенное и потерявшее часть газа из-за наличия в нем только что образовавшихся звезд, а за облаком - стареющее и медленно распадающееся звездное скопление, относительно свободное от газа. Эта последовательность областей имеет примерно линейную форму и будет вытянута дифференциальным вращением в сегмент спирального рукава. Результатом является спиральная галактика, образованная разрозненными фрагментами спиральных рукавов. Следовательно, стохастическая теория, кажется, в состоянии объяснить форму как раз тех галактик, которые не могут быть описаны теорией волн плотности. Таким образом, нам, может быть, не нужны другие идеи - нужно всего лишь терпение в проведении подробных измерений, необходимых для сравнения свойств спиральных рукавов с различными версиями каждой из теорий.

Существует, однако, еще одна возможность. Любое возмущение диска может приводить к скоплению газа, что будет проявляться в виде спиральных рукавов или спиральных сегментов. Возмущение может исходить извне или же изнутри - из собственного ядра галактики. (см. рис. выброса из галактики M87) Одна из возможностей первого типа состоит в том, что межзвездный газ может втекать в галактику, образуя спиральные рукава. Эта гипотеза не очень привлекательна, так как газ будет преимущественно со стороны полюсов, где нет достаточного количества другого газа для столкновения, и известно очень мало случаев, когда спиральные рукава не лежат в плоскости диска. Более привлекательным внешним агентом может быть приливное воздействие других галактик при близких прохождениях. Приливы, порождаемые близкими прохождениями, почти столкновениями - воздействуют на звезды и газ и могут исказить форму галактики в достаточной степени для возникновения неправильных образований, которые в ходе вращения приобретут спиральную форму. Это красивая идея, но ее недостаток - в необходимости близкого прохождения другой галактики. К сожалению, расстояния между галактиками слишком велики, чтобы этот механизм мог быть эффективным в большинстве случаев. Однако в том, что касается прохождений галактик вблизи друг друга, нас могут ожидать сюрпризы. Недавние определения темпов звездообразования показывают. что в близко расположенных друг к другу галактиках темп звездообразования аномально велик - особенно в ядрах. Может быть, окажется, что приливные эффекты включаются гораздо легче, чем мы сейчас думаем.