Гайд по астрономии. Путешествие к границам безграничного космоса

Из всех типов именно гигантские спиральные галактики превосходят все остальные по своей захватывающей красоте. Изумительные цветные снимки, сделанные космическим телескопом «Хаббл», показывают, что в этих галактиках присутствуют богатые экосистемы горячих голубых звезд, светящихся газовых туманностей и темных пылевых облаков, наиболее активные области которых располагаются вдоль спиральных рукавов, подобно «бусинам на нити» или «цветкам на ветви». Недавно астрономы-любители, применив технологии цифровой обработки изображений, создали впечатляющие цветные картины этих галактик. И даже распространенные названия ряда самых известных спиральных галактик-гигантов — галактика Треугольника, Водоворот, Подсолнух, Черный Глаз, Сомбреро — отражают нашу реакцию на их изящные формы.

Но как у этих галактик развилась спиральная структура? И как им удалось сохранить свой привлекательный облик на протяжении космологического времени? Сперва астрономы обратили внимание на диски этих галактик, где находятся спиральные рукава. Оказалось, что звезды и газ находятся в сдвиговом движении, так что вещество во внутреннем диске спиральной галактики вращается быстрее, чем вещество на ее внешнем диске. Степень сдвига составляет примерно 10 км/с на каждые 1000 световых лет галактического радиуса — это оказывает небольшой, но значительный эффект по сравнению с характерными скоростями вращения, составляющими 100–300 км/с. При таком сдвиге на диске сами собой образуются спиральные узоры. Просто представьте себе большое облако звездообразующего газа. И облако, и звезды, недавно рожденные в нем, сместятся в спиральный фрагмент, при этом внешние звезды будут отставать от внутренних. Соберите вместе несколько таких «звездных колыбелей», и в диске появится спиралевидный узор (рис. 8.3).

Возможно, подобный характер возникновения спиральных структур, в основу которого положен сдвиг звездообразующих облаков, объяснит «потрепанность» некоторых спиральных галактик — таких, как галактика Треугольника (М33) в одноименном созвездии и галактика Подсолнух (М63) в созвездии Гончих Псов, спиральные рукава у которых короткие и словно раздроблены на мелкие осколки. Однако он не в силах объяснить «великий замысел» таких спиральных галактик, как Водоворот (М51) в том же созвездии Гончих Псов или Вертушка (М101) в созвездии Большой Медведицы, у которых спиральные рукава обширны и в то же время четко очерчены. Кроме того, он не может объяснить и того, почему в некоторых спиральных галактиках с баром, таких как М94 в созвездии Гончих Псов и М95 в созвездии Льва, присутствуют поразительные кольца, активно рождающие новые звезды. В данном случае астрономы допускают существование некой динамической силы, которая согласуется с резонансным поведением, сохранившимся в Солнечной системе до наших дней, и проявляется, например, в том, как ведут себя кольца Сатурна.

Рис. 8.3. Сравнение фрагментарной спиральной структуры, которая появляется в результате сдвига звездообразующих газовых облаков (слева), и более непрерывной спиральной структуры, которая, как объясняет теория волн плотности, возникает в тот момент, когда облака газа проходят через гребень спиральной волны плотности, занявшей прочное положение в диске (справа). (По источнику: Galaxies and the Cosmic Frontier, W. H. Waller and P. W. Hodge.)

Если сдвигающийся галактический диск испытывает гравитационное возмущение, вызванное или вращением звездного бара, или галактикой-спутником, или его собственной спиральной структурой, он отреагирует в соответствии с частотой собственных колебаний. Астрофизики показали, что вследствие этого, скорее всего, появится спиральная волна плотности, которая будет способна поддерживать сама себя и начнет двигаться вокруг галактики с постоянным орбитальным периодом. Подобно морской волне, накатывающей на берег, волна плотности не состоит из одного и того же вещества, неизменного на протяжении долгого времени, — она состоит из любого вещества, через которое ей случается проходить.

В большей части дисковых галактик звезды и газ движутся быстрее волны и поэтому в конечном итоге проходят сквозь нее. Их взаимодействие можно уподобить тому, как колонна машин, медленно едущих по трассе, проходит через блокпост: чтобы миновать преграду, автомобилям приходится сбавлять скорость, отчего они скапливаются. Примерно так же звезды и газ, проходя через волну плотности, обладающую притяжением, замедляются и сгущаются. В частности, газовые облака сосредоточиваются и сливаются вдоль гребней волн плотности в таком изобилии, что готовы породить новые поколения звезд. Поэтому вдоль спиральных рукавов так много красочных скоплений голубых звезд и розовых областей H II.