Теперь о том, откуда берутся рукава в спиральных галактиках.
Сам вид спиральной галактики хорошо известен. Классическая фотография:
Большинство спиральных галактик, как сказано выше, на самом деле имеет перемычку, проходящую через центр и именуемую гордым названием "бар", так что рукава закручиваются не от центра галактики, а от бара. В экстремальном виде это выглядит так:
Наша Галактика Млечный Путь тоже является спиральной галактикой с баром.
Издали кажется, что галактика именно так и устроена - спиральные рукава, содержащие много вещества, и пустые места между ними, в которых вещества мало или почти нет.
На самом же деле плотность звезд в галактике и в "пустых" местах между рукавами, и в самих рукавах практически одинакова. Например, мы живем в пространстве между двумя рукавами нашей галактики и на одиночество не жалуемся.
На самом же деле рукава - это не те места, где больше звезд. Рукав - это интересное образование, представляющее собой так называемую "волну плотности", проходящую по газу и пыли, расположенным в межзведной среде галактического диска. При этом, что тоже интересно, то, что мы видим - это даже не сам рукав. Фронт сверхзвуковой ударной волны невидим для оптических средств наблюдений. Но он сгущает газ и межзвездную пыль, резко повышая вероятность образования из них новых звезд. Фронт ударной волны излучает радиоволны и может наблюдаться в радиодиапазоне ("радиорукав"). За его спиной после его прохождения в газе происходит множественное рождение молодых звезд, которые интенсивно излучают инфракрасное излучение, в результате чего за радиорукавом с небольшим отставанием следует повторяющая его очертания зона повышенного излучения инфракрасного излучения ("инфракрасный рукав"). И только потом, через несколько миллионов лет после прохождения волны плотности формируются звезды. Некоторая, весьма незначительная часть этих звезд оказываются достаточно крупными и яркими (массами в пять, десять и более масс Солнца) и принадлежат к классу голубых гигантов и сверхгигантов. Но гиганты и сверхгиганты светятся непропорционально ярко - десятикратно превосходя, к примеру, Солнце по массе, небольшой сверхгигант по светимости оказывается более ярким примерно в тридцать тысяч раз, а более крупные сверхгиганты могут иметь светимости, большие солнечных в сотни тысяч раз. Поэтому с большого расстояния гиганты и сверхгиганты, составляя по количеству лишь несколько процентов звездного населения, определяют более девяноста процентов общей светимости области звездообразования. В результате эту область, в которой светят гиганты и сверхгиганты и которая повторяет форму ушедшей вперед волны плотности, мы видим как ярко-голубую спираль ("видеорукав"). Собственно, именно его и воспринимают как спиральный рукав галактики на фотографиях. А потом короткоживущие большие звезды умирают - и яркость области, которую прошел рукав, уменьшается до фоновой.
А ответ на вопрос, откуда берутся рукава и бары, достаточно интересен. И начать рассказ нужно издалека - с движения звезд в диске галактики.
Разумеется, любая звезда под действием галактического гравитационного поля обращается вокруг центра галактики более или менее по эллипсу. Однако вращение звезды вокруг галактического центра существенно отличается от, например, вращения планеты вокруг Солнца, тем, что в первом случае гравитационное поле не является центральным - оно относительно равномерно распределено по объему, и практически не существует точки, к которой звезда притягивается - а это приводит к интересному следствию: эллипс, представляющий собой траекторию движения отдельной звезды в диске галактики, сам по себе вращается. Например, Солнце совершает полный оборот вокруг центра Галактики за 230 миллионов лет - а эллипс, по которому оно двигается, совершает полный поворот за 790 миллионов лет.
Анализ движения звезд в диске показывает, что угловая скорость поворота эллипса (так называемая эпициклическая частота) зависит от удаления звезды от центра галактики в большей степени, чем угловая скорость движения самой звезды по эллипсу (это связано именно с распределенным характером гравитационного поля и плотности галактики). В результате оказывается, что в галактическом диске есть два выбранных радиуса, для которых угловая скорость вращения звезд, находящихся на данном расстоянии от центра галактики, равна угловой скорости поворота их эллипса, представляющего собой их траекторию (эпициклической скорости). Такое состояние, при котором звезда обращается вокруг центра галактики по эллипсу, вращающемуся с той же скоростью, что и сама звезда, называется резонансом Линдблада.
И вот тут начинается интересное. Если эллипсы по которым вращаются соседние звезды, сами по себе вращаются с близкими угловыми скоростями, под действием притяжения друг друга и случайных внешних гравитационных воздействий, например, гравитации соседней галактики, звезды (а, в первую очередь, даже не звезды, а газовые облака, обращающиеся в галактике по тем же законам) могут начать сближаться и вращаться синхронно, будучи связанными взаимным притяжением. В результате происходит интересный эффект - в некоторой изогнутой области пространства эллипсы траекторий сближаются, а потом, в других областях, опять расходятся. И область сближения эллипсов мы и видим как спиральный рукав.
Нетрудно понять, что на радиусах Линдблада (то есть, на тех расстояниях, для которых орбитальная скорость звезд равна эпициклической) такого быть не может - там звезды движутся по эллипсам, вращающимся со скоростью вращения самих звезд, то есть, с точки зрения наблюдателя, практически неупорядоченно. И, получается, что описанные выше волны плотности могут существовать лишь в двух зонах галактики - внутри внутреннего радиуса Линдблада и между внутренним и внешним радиусами (теоретически, они могут существовать еще и снаружи внешнего радиуса, но практически он настолько велик, что внутри его находится весь галактический диск).
Вот и получается, что волны плотности между радиусами Линдблада живут и обращаются по диску независимо от волн плотности внутри радиуса Линдблада - вторые именуются спиральными рукавами, а первые, внутренние, формируют бар.
Иллюстрация того, как синхронно поворачивающиеся орбитальные эллипсы формируют волны плотности:
Тут мы видим и волны плотности внутри одного радиуса (бар) и между радиусами (спиральные рукава).
При этом стоит упомянуть интересное обстоятельство. На динамику вещества в волне плотности очень большое влияние оказывает газ. Дело в том, что звезды входят в волну и выходят из нее без существенных последствий для себя и своего движения - а большие газовые облака при сближении соударяются, сжимаются (отчего спиральные рукава и являются областями звездообразования и посему так хорошо видны), теряют кинетическую энергию - и в результате, газ приобретает тенденцию "опускаться" - теряя скорость, приближаться к центру галактики. Газ из основной части диска по этой причине опускается к внутреннему радиусу Линдблада - и, в результате, формируется хорошо известная из наблюдений зона звездообразования в центральной части спиральных галактик, некогда удивлявшая астрономов (ведь без учета этого обстоятельства трудно понять, отчего газ в балдже не закончился миллиарды лет назад). А неизрасходованный газ, случайно опустившийся ниже радиуса Линдблада, тормозится в баре и опускается еще ниже - к самому центру галактики.
А что у нас в центре галактики? Правильно, черная дыра. И теперь становится ясным, какому именно источнику сверхмассивные черные дыры в центре галактик обязаны подпиткой газом и своим ростом.
А заодно - и почему масса центральной черной дыры галактик коррелирует с массой и размером балджа (как правило, чем больше балдж - тем больше и масса черной дыры).
Что интересно - при достаточно большом количестве медленно вращающегося газа, поступившего в центральную область галактики, он начинает еще и разрушать бар, то есть, своим воздействием рассеивать звезды в баре. В результате бары оказываются зачастую временным компонентом галактики (поэтому так много спиралей без бара), разрушающимся за короткое время - несколько сотен миллионов, максимум, миллиардов лет. Но на самом деле все еще сложнее - если галактика после разрушения бара опять захватит порцию газа с большим угловым моментом (а мы знаем, что галактики постоянно захватывают порции газа с большим угловым моментом. По крайней мере, большие спиральные галактики - хищники Вселенной. Посмотрите, например, на нашу Галактику - с каждой поглощенной галактикой-спутником она захватывает порцию газа!) - то быстро вращающийся захваченный газ затормозит процесс падения газа во внешних областях диска на центр галактики, тот очистится, и бар возродится. То есть, бары галактик приходят и уходят - причем доля спиральных галактик с баром за счет описанного процесса может позволить даже оценить скорость роста спиральных галактик (оценка дает, в среднем, удвоение массы за 10 Gyr, то есть, миллиардов лет).
Разумеется, спиральный рукав так просто не разрушить - в нем концентрация газа практически никогда не может оказаться достаточно высокой. К тому же, эта зона диска более чувствительны к возмущениям со стороны гравитационных полей соседних галактик - поэтому спиральные рукава оказывается более устойчивыми.
Кстати, может возникнуть вопрос: как проверить, что рукава галактики формируются именно таким образом, а не как-нибудь иначе. Скажем, много лет существовала, существует и до сих пор находит свое место в учебниках идея ударных волн в диске - в этой модели формирование рукавов никак не связано с особенностями орбитальных траекторий звезд; звезды в ней могут вращаться хоть по эллипсам, хоть по окружностям, а в диске все равно может возникнуть и бежать по нему ударная волна, которую мы видим как спиральный рукав - хотя бы, опять же, под действием притяжения объектов диска в зоне их случайного сближения.
Справедливости ради следует отметить, что эта модель появилась первой, в течение ряда лет считалась единственной, и вообще, ей уже пятьдесят пять лет.
Проблема в том, что внешним наблюдением, казалось бы, выбрать варианты происхождения трудно: у галактики же не спросишь, отчего у нее возникли рукава - просто от волн плотности или от сближения эллипсов, по которым звезды и газовые облака обращаются вокруг центра. А внешне в обоих случаях видим практически одинаковые рукава, хранящие секрет механизма своего возникновения.
Оказывается, однако, что различить сценарии формирования рукавов можно, причем, по одному параметру: в обоих сценариях должно отличаться поведение угла, под которым закручены рукава, то есть, угла между осью рукава в некоторой точке и окружностью с центром в центре галактики, пересекающей его в этой точке (именуется он иногда интересно: угол подъема или угол тангажа, pitch angle).
В случае самопроизвольного формирования волны плотности в рукаве, как очевидно, пока серьезным образом не изменятся характеристики диска и галактики в целом (то есть, при неизменных массе и плотности галактики), угол подъема остается неизменным - он определяется только внутренними свойствами галактики в целом и ее диска в частности.
В случае же формирования рукава внешним воздействием или самогравитацией по механизму сближения траекторий, оказывается (и это нетрудно понять), что угол подъема начинает эволюционировать - он уже не является собственным свойством диска и изменяется по своим законам. И расчеты показывают, что закон этот достаточно прост - по мере дальнейшего сближения эллиптических траекторий вовлекаемых в рукав объектов, рукав должен закручиваться все сильнее, причем угол подъема рукава изменяется примерно пропорционально арккотангенсу времени, прошедшего с начала процесса (ну, или котангенс угла подъема пропорционален времени).
А это уже допускает статистическое исследование...
И вот только недавно появился результат: измерение угла подъема спиральных галактик для различных их возрастов показало практически равномерное распределение котангенса угла подъема их рукавов. То есть, углы подъема рукавов действительно изменяются с возрастом галактики. А это подтверждает описанный механизм формирования спиральных рукавов.
