В 1845 году английским астрономом лордом Россом был обнаружен целый класс туманностей спирального типа. Их природу установили только в начале двадцатого века. Учеными было доказано, что данные туманности являются огромными звездными системами, похожими на нашу Галактику, однако они удалены от нее на многие миллионы световых лет.

Общая информация

Спиральные галактики (фото, приведенные в этой статье, демонстрируют особенности их структуры) своим внешним видом напоминают пару сложенных вместе тарелок или двояковыпуклую линзу. В них можно обнаружить как массивный звездный диск, так и гало. Центральную часть, которая визуально напоминает вздутие, принято называть балджем. А темную полосу (непрозрачную прослойку межзвездной среды), идущую вдоль диска, называют межзвездной пылью.

Спиральные галактики принято обозначать литерой S. Кроме того, их принято делить по степени структуры. Для этого к основному символу добавляют литеры a, b или c. Так, Sa соответствует галактике с малоразвитой спиральной структурой, однако с большим ядром. Третий класс - Sc - относится к противоположным объектам, со слабым ядром и мощными спиральными ветвями. У некоторых звездных систем в центральной части может находиться перемычка, которую принято называть баром. В таком случае к обозначению добавляется символ В. Наша Галактика относится к промежуточному типу, без перемычки.

Каким образом сформировались спиральные дисковые структуры?

Плоские дискообразные формы объясняют вращением звездных скоплений. Существует гипотеза, что в процессе образования галактики препятствует сжатию так называемого протогалактического облака в перпендикулярном направлении к оси вращения. Также следует знать, что характер движения газов и звезд внутри туманностей неодинаков: диффузные скопления вращаются быстрее, чем старые звезды. Например, если характерная скорость вращения газа составляет 150-500 км/с, то звезда гало будет всегда двигаться медленнее. А балджи, состоящие из таких объектов, будут иметь скорость в три раза ниже, чем диски.

Звездный газ

Сильно сжатые системы

Если описанный выше процесс происходит в сильно сжатой звездной системе, то диффузная материя должна осесть на основную плоскость галактики, ведь именно здесь уровень потенциальной энергии является наименьшим. Сюда же и собираются газовые и пылевые частицы. Далее диффузная материя начинает свое движение в основной плоскости звездного скопления. Перемещаются частицы практически параллельно по круговым орбитам. В результате столкновения здесь довольно редки. Если же они и происходят, то энергетические потери при этом незначительны. Из этого следует, что материя далее к центру галактики не перемещается, где потенциальная энергия имеет еще меньший уровень.

Слабо сжатые системы

Теперь рассмотрим, как ведет себя эллипсоидная галактика. Звездная система такого типа отличается совершенно иным развитием данного процесса. Здесь главная плоскость вовсе не является ярко выраженной областью с малым уровнем потенциальной энергии. Сильное снижение этого параметра происходит только в центральном направлении звездного скопления. А это значит, что межзвездные пыль и газ будут притягиваться в центр галактики. Как следствие, плотность диффузной материи здесь будет очень высока, гораздо больше, чем при плоском рассеивании в спиральной системе. Собравшиеся в центре скопления частицы пыли и газа под действием силы притяжения начнут сжиматься, тем самым сформируется малая по размерам зона плотного вещества. Ученые предполагают, что из данной материи в дальнейшем начинают формироваться новые звезды. Важным здесь является иное - малое по своим размерам облако газа и пыли, находящееся в ядре слабо сжатой галактики, не позволяет себя обнаружить в процессе наблюдения.

Промежуточные стадии

Мы рассмотрели два основных типа звездных скоплений - со слабым и с сильным уровнем сжатия. Однако существуют и промежуточные стадии, когда сжатие системы находится между этими параметрами. У таких галактик эта характеристика является недостаточно сильной для того, чтобы диффузная материя собралась вдоль всей основной плоскости скопления. И в то же время она недостаточно слабая и для того, чтобы частицы газа и пыли сконцентрировались в районе ядра. В таких галактиках диффузная материя собирается в небольшую плоскость, которая собирается вокруг ядра звездного скопления.

Галактики с перемычками

Известен еще один подтип спиральных галактик - это звездное скопление с перемычкой. Его особенность состоит в следующем. Если у обычной спиральной системы рукава выходят непосредственно из дискообразного ядра, то у данного типа центр располагается в середине прямой перемычки. А ветви такого скопления начинаются из концов данного отрезка. Еще их принято называть галактиками пересеченных спиралей. Между прочим, физическая природа данной перемычки до сих пор остается неизвестной.

Кроме того, ученым удалось обнаружить еще один вид звездных скоплений. Они характеризуются ядром, как и у спиральных галактик, однако рукавов у них нет. Наличие ядра говорит о сильном сжатии, но все остальные параметры напоминают эллипсоидные системы. Такие скопления получили название чечевицеобразных. Ученые предполагают, что эти туманности образуются в результате потери спиральной галактикой своей диффузной материи.

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)

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.

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.

В глухих областях космического пространства недавно был обнаружен новый вид галактик, который условно назвали «супер спирали». Они имеют поистине исполинские размеры, по всем параметрам превосходят наш Млечный Путь и могут конкурировать размерами и яркостью с самыми большими галактиками, которые только были обнаружены во Вселенной.

Суперспиральные галактики, как оказалось, долгое время находились на виду у астрономов - они попросту удачно мимикрировали под типичные спиральные галактики. Новое исследование проводилось с использованием архивных данных НАСА и оно показало, что эти, на первый взгляд, близкие к нам галактики на самом деле находятся очень далеко, а кажутся близкими, потому что имеют исполинские размеры. Тут же перед исследователями встал новый вопрос: как вообще возможно существование таких спиральных галактик.

«Мы обнаружили ранее неизвестный класс спиральных галактик, которые такие же огромные и яркие как самые крупные галактики, известные нам. Если говорить понятным языком, то это то же самое, как если бы мы обнаружили на Земле новое неизвестное существо размерами со слона, но до сих пор неизвестное зоологам», - Патрик Огл из Калифорнийского технологического института, ведущий автор статьи, опубликованной в издании The Astrophysical Journal.

Одна из трёх галактик с двумя ядрами, её наименование 2MASX J08542169+0449308. Источник: SDSS

Огл и его коллеги совершенно случайно наткнулись на эти супер спирали, когда занимались поисками чрезвычайно ярких, массивных галактик в недрах архива NED (NASA/IPAC Extragalactic Database). Этот архив представляет собой онлайн-репозиторий, содержащий информацию о более чем ста миллионах галактик. NED объединяет в себе данные из многих разнообразных проектов, включая ультрафиолетовые наблюдения орбитального аппарата GALEX, наземного Слоановского цифрового обзора неба, обзора 2MASS и отдельных аппаратов «Спитцер» и WISE.

«Это удивительное открытие класса гигантских спиральных галактик состоялось только благодаря рутинному анализу базы данных галактик NED. Таким образом, можно сказать, что рутинная, систематическая и последовательная работа с обобщёнными по всем проектам архивами тоже приносит плоды. Мы уверены, что в недрах архива содержится информация о ещё многих таких самородках. Осталось нам лишь научиться задавать правильные вопросы», - Джордж Хелоу, соавтор исследований и руководитель архива.

Первоначально Огл, Хелоу и их коллеги справедливо полагали, что огромные, зрелые галактики, относящиеся к классу эллиптических из-за их необычной формы, будут доминирующими элементами в исследованной архивной информации. Но как оказалось, учёных ожидало огромное удивление. Из общей базы данных было выбрано примерно 800000 галактик, находящиеся от нас на расстоянии не более 3.5 миллиарда световых лет. Удивительным оказалось то, что у 53 из самых ярких галактик была форма спирали, а не эллипса. Исследователи перепроверили расстояния до этих галактик, оказалось, что они расположились ещё на 1.2 миллиарда световых лет дальше, чем первоначально предполагалось. Получив правильную оценку расстояний, и были выявлены ошеломляющие размеры и свойства этого новооткрытого класса спиральных галактик.

Ещё одна галактика, которую можно отнести к суперспиральным. Её имя 2MASX J16014061+2718161, она также имеет два ядра. Источник: SDSS

Как сейчас удалось установить, суперспиральные галактики могут иметь яркость, большую яркости Млечного Пути от 8 до 14 раз, они в десять раз массивнее нашей Галактики. Их яркие диски, заполненные звездами, имеют диаметр в 2–4 раза больше нашего, а самая большая известная спиральная галактика на сегодняшний день имеет 440000 световых лет в диаметре. Суперспиральные галактики испускают сильное ультрафиолетовое и среднее инфракрасное излучения. Это означает, что в их недрах активно протекают процессы образования новых звёзд, темп их рождения примерно в 30 раз выше, опять же по сравнению с нашей Галактикой.

Согласно нынешней астрофизической теории, спиральные галактики не могут никаким образом быть в состоянии достигнуть любой из этих удивительных особенностей, не говоря уже о том, чтобы обладать всеми этими свойствами сразу. Дело в том, что спиральные галактики растут посредством захвата холодного газа из межгалактического вещества. В какой-то момент масса обычной спиральной галактики достигает таких больших значений, вследствие чего захваченный газ начинает передвигаться внутрь неё очень быстро. Из-за этого образуется трение вещества и происходит нагрев, а повышение температуры начинает тормозить последующие процессы рождения новых звёзд. Но, как мы теперь все узнали, оказывается, что спиральные галактики не подчиняются этому закону.

Одна из самых больших суперспиральных галактик SDSS J094700.08+254045.7. Диаметр её диска составляет порядка 320000 световых лет.