Спиральные галактики.
Что скрывает это понятие.
Природа спиральных рукавов Галактик.
ПРИРОДА КОЛЕБАНИЙ.
Спиральная структура — столь распространенная и бросающаяся в глаза
особенность многих галактик, что проблема ее природы уступает по своей
важности разве только проблеме активности галактических ядер. Именно
ядрам некоторые исследователи и приписывают порождение спиральных
рукавов. Первым высказал это предположение (еще в 1928 году) Дж. Джине.
Он писал: «Каждая неудачная попытка объяснить происхождение спиральных
ветвей делает все более трудным сопротивление предположению, что
спиральные рукава являются полем действия сил, полностью неизвестных
нам, отражающих, возможно, новые метрические свойства пространства, о
которых мы и не подозреваем». Джине допускал, что в ядрах галактик «в
нашу Вселенную вливается вещество из каких-то других, совершенно чуждых
нам пространственных измерений». Истечение вещества из ядра в сочетании
с вращением и могло бы породить рукава. Однако сейчас
Содержание статьи:
2. Два мнения о спиральной структуре.
3. Ключ к проблеме в ближайших галактиках.
4. Анатомия спирального рукава.
5.
Спиральные рукава в M31
и
галактике.
нет необходимости привлекать потусторонние силы для объяснения спиральной структуры. Круговые орбиты звезд галактического диска, отсутствие движения вещества вдоль рукавов — уже только эти факты делают подобные объяснения несостоятельными. К тому же рукава, как правило, начинаются не в непосредственной близости от ядра, а в нескольких килопарсеках от него. Джине тем не менее был, очевидно, прав в одном: «Пока спиральные ветви остаются необъясненными, невозможно чувствовать доверие к любым предположениям и гипотезам, касающимся других особенностей туманностей, которые кажутся более легко поддающимися объяснению».
ДВА МНЕНИЯ О СПИРАЛЬНОЙ
СТРУКТУРЕ.
На первый взгляд, спиральный узор галактик вызван их дифференциальным
вращением. Лишь центральные области галактик вращаются как твердое тело,
а дальше угловая скорость вращения убывает с расстоянием от центра.
Поэтому любая достаточно большая и разреженная группировка звезд, в
которой взаимное притяжение между звездами слабое, должна со временем
превратиться в обрывок спирального рукава. Но, прежде чем галактика
сделает один оборот, в этом фрагменте рукава погаснут звезды большой
светимости, и он исчезнет из вида. Вместе с тем уже возникшую каким-то
образом спиральную структуру дифференциальное галактическое вращение
должно «размыть» за пару оборотов. Однако в 1976 году американские
астрономы М. Мюллер и В. Арнет показали, что, если процесс
звездообразования распространяется на соседние области, то
дифференциальное вращение
алактики может породить довольно длинные, хотя и
не очень правильные, спиральные рукава, неоднократно появляющиеся и
исчезающие за время жизни галактики. Массивные звезды образуются в
газовом облаке гораздо быстрее, когда это облако испытывает повышенное
давление,— приходит волна сжатия после взрыва расположенной неподалеку
сверхновой или возгорания мощно излучающих 0-звезд. Массивные звезды,
рождающиеся в облаке, быстро превращаются в сверхновые или 0-звезды, и,
если рядом есть другие газовые облаке, эстафета звездообразования
передается дальше. О возможности такого, эпидемического характера
звездообразования В. Бааде говорил еще четверть века назад.
У. Герола и Ф. Сейден (США) усовершенствовали модель образования
спиральной структуры, предложенную Мюллером и Арнетом, еще более
приблизив ее к реальности.
Эта модель привлекательна тем, что она объясняет природу спиральной структуры процессами и явлениями (дифференциальное вращение и эпидемическое звездообразование), без сомнения существующими в действительности. Тем не менее все большую популярность приобретает волновая теория спиральной структуры, которую возродили в 1964 году Ц. Лин и Ф. Шу (США), развившие идеи Б. Линдблада. Согласно волновой теории, спиральные рукава — это волны повышенной плотности вещества, вращающиеся вокруг центра галактики как твердое тело, подобно узору на волчке. Волны плотности движутся, не перенося с собой вещества, как, например, звуковые волны или волны на поверхности воды. Скорости, с которыми вращаются вокруг центра галактики спиральные рукава (волны плотности) и вещество (звезды и газ), вообще говоря, не совпадают.
Достаточно близко к центру газ вращается быстрее волны плотности и натекает на спиральный рукав с внутренней стороны. Если различие их скоростей достаточно велико, возникает ударная волна, в которой плотность газа повышается раз в десять, и это сжатие газа приводит к интенсивному образованию массивных звезд. Помимо газа у внутреннего края спирального рукава концентрируется и пыль, видимая на фотографиях как темная полоса.
Радиоастрономические данные подтверждают,
что именно в этих темных полосах особенно велика плотность водорода.
Различие скоростей вращения спирального узора и галактического вещества
уменьшается по мере удаления от центра галактики, пока эти скорости не
становятся равными на радиусе коротации. Еще дальше от центра галактики
спиральные рукава вращаются быстрее, чем звезды и газ, столкновение с
которыми теперь должно происходить у внешнего края рукава
(подразумевается, что в галактиках спиральные рукава всегда
закручиваются). Однако близ радиуса коротации спиральные рукава едва
заметны, и, что делается за этим радиусом, сказать трудно. Ближе к
центру галактики самые молодые звезды должны быть сосредоточены у
внутреннего края рукава — там, где они и рождаются. Звезды вращаются
быстрее рукава и, обгоняя его, успевают постареть и стать менее яркими
или недоступными нашим телескопам, превратившись в черную дыру или белый
карлик. Таким образом, в поперечном сечении спирального рукава должен
существовать перепад (градиент) возрастов звезд. У внутреннего края
рукава располагаются зоны наивысшей плотности газа и пыли, затем —
области звездообразования и молодые звезды, у внешнего края рукава —
самые старые звезды из тех, что концентрируются к рукавам. Некое подобие
волны плотности можно наблюдать в движении муравьев, если на их тропе
выкопать канавку. Очень скоро плотность муравьев вблизи канавки
становится много больше, чем в среднем на тропе. Муравьи довольно быстро
выбираются из канавки, но в ней застревают все новые муравьи, и зона
повышенной плотности у канавки сохраняется. Если теперь вообразить, что
канавка перемещается вдоль тропы, аналогия с волной плотности в
спиральных галактиках станет полнее. Спиральная волна плотности способна
возникнуть в галактике под действием приливного возмущения от близкого
спутника или в результате отклонения от осевой симметрии в распределении
звезд вокруг центра галактики. Эти отклонения могут быть столь
незначительны, что остаются незамеченными. Волновая теория имеет ряд
убедительных подтверждений: бесспорные признаки резкого повышения
плотности газа и пыли перед внутренним краем звездных спиральных
рукавов, наблюдающиеся во многих галактиках, и связанные с
гравитационным полем рукавов крупномасштабные отклонения от кругового
вращения. Эти отклонения выявлены по лучевым скоростям звезд высокой
светимости в нашей Галактике и нейтрального водорода в галактике М 81 в
созвездии Большой Медведицы. По-видимому, только волновая теория может
объяснить существование (хотя и редких) галактик с длинными гладкими
рукавами без признаков звездообразования в них. В таких галактиках
практически нет газа. Очевидно, что эпидемическое звездообразование
может происходить и при наличии спиральной волны плотности. Первое
поколение массивных звезд, родившихся в этой волне, вполне способно
воздействовать на окружающие газовые облака, распространяя эпидемию
звездообразования дальше. Задача состоит в том, чтобы понять, в каких
галактиках или их областях спиральная структура обязана своим
происхождением волне плотности, а в каких — дифференциальному вращению и
эпидемическому звездообразованию, и почему в той или иной галактике
доминирует один из этих механизмов, Казалось бы, легче всего выяснить
природу спиральных рукавов, проведя поиск градиента возрастов молодых
звезд в поперечном сечении рукава. Но в далеких галактиках такой поиск
не приносит определенных результатов — скорее всего из-за трудностей в
интерпретации данных интегральной фотометрии и малого разрешения, а в
нашей Галактике ему очень мешают наблюдательная селекция и неточность в
знании расстояний. К тому же в диске Галактики из-за межзвездного
поглощения оптическим телескопам доступны расстояния, обычно не
превышающие 4— 5 кпк, то есть область, охватывающая не более 10% площади
ее диска. Некоторые исследователи даже считают, что молодые звезды и
звездные скопления в окрестностях Солнца распределены преимущественно
вдоль радиусов, направленных от Солнца. Но такое распределение отражает
влияние наблюдательной селекции и в особенности наличие больших пылевых
облаков, резко ослабляющих блеск расположенных за ними объектов. В нашей
Галактике мы подобны путникам в густом лесу— из-за деревьев не видим
леса, тогда как по отношению к далеким галактикам — пролетаем над лесом
слишком высоко, чтобы различить породы деревьев или рельеф местности.
Надо изучать ближайшие галактики, где нам доступны отдельные звезды, где
мы можем исследовать характеристики этих звезд и однозначно установить
их связь с элементами галактической структуры. Эффективность
исследований ближайших галактик подтверждается всей историей астрономии
XX века.
КЛЮЧ К ПРОБЛЕМЕ— В
БЛИЖАЙШИХ ГАЛАКТИКАХ.
В наше время, когда внимание физиков и астрономов устремлено к границам
Вселенной, стали забывать, что астрономическая картина мира родилась
именно при изучении ближайших галактик, в первую 'очередь — туманности
Андромеды (М31) и галактики в созвездии Треугольника (М 33). В конце
1923 года молодой астроном обсерватории Маунт Вилсон — бывший боксер и
адвокат Э. Хаббл, проводя поиск новых звезд, открыл в туманности
Андромеды первую цефеиду, а через год, применив уже к 12 цефеидам
зависимость период — светимость, оценил расстояние до этой «туманности».
Выяснилось: по размерам, составу и строению она такая же галактика, как
и наша. Опираясь на цефеиды в ближайших галактиках, Хаббл смог затем
определить расстояния до далеких галактик и в 1929 году показал, что
красное смещение в спектрах галактик пропорционально их расстоянию от
нас. Итак, Вселенная населена галактиками и расширяется. Доказательство
этого остается и по сей день крупнейшим достижением астрономии XX века,
незыблемым фундаментом естествознания. Становление фундаментальной
концепции звездных населений также связано с исследованием ближайших
галактик. В 1943 году В. Бааде обнаружил, что центральная часть М 31
состоит из таких же звезд, как старые шаровые скопления. Стало
окончательно ясно, что в дисках и спиральных рукавах галактик «обитает»
молодое население I, в коронах и центральных областях спиральных
галактик, в шаровых скоплениях и эллиптических галактиках—старое
население II. Через несколько лет Бааде выяснил, что спиральные рукава М
31 обрисовываются не только звездами высокой светимости, но и пылью, а
также областями ионизированного водорода Н II. Изучая области Н II в
нашей Галактике, В.Морган и его сотрудники получили в 1952 году первые
надежные данные о локализации отрезков спиральных рукавов в окрестностях
Солнца. Исследование спиральных рукавов в ближайших галактиках
подтвердило также, что гигантские молекулярные облака (состоящие в
основном из молекул водорода) концентрируются в рукавах. Эти облака были
обнаружены в нашей Галактике в 1975—1976 годах. И вплоть до 1981 года
одни исследователи полагали, что молекулярные облака «равнодушны» к
спиральной структуре, другие же считали, что они концентрируются в
спиральных рукавах. И только детальное изучение спиральной структуры М
31 позволило доказать, что молекулярные облака столь же хорошо
обрисовывают рукава, как и атомарный водород. Облака образуются в
спиральных рукавах, а затем разрушаются под воздействием излучения
родившихся в них 0-звезд. А так как масса газа, не израсходованного на
формирование звезд, обычно существенно больше суммарной массы звезд,
остающаяся после раз-лета газа звездная группировка оказывается
гравитационно неустойчивой, чем и объясняется распад 0-ассоциаций —
разреженных группировок молодых звезд. Поиски градиента возрастов звезд
в спиральных рукавах также имеют наибольшие шансы на успех именно в
ближайших галактиках. Одними из первых попытались это сделать
французские астрономы. В М 33 они нашли признаки градиента возрастов
лишь в части южного спирального рукава, ближайшей к центру галактики.
Эти признаки (преимущественная концентрация пыли и областей Н II у
внутреннего края рукава) выражены довольно слабо, а нейтральный водород
(Н I) оказался плотнее всего не у края, а близ середины рукава.
Спиральные рукава М 33 состоят из довольно коротких обрывков, много
звезд высокой светимости находится за пределами рукавов, поэтому главная
роль в образовании спиральной структуры этой галактики должна
принадлежать не волнам плотности, а дифференциальному вращению и
эпидемическому звездообразованию. Четкий спиральный узор заметен у
галактики М31, но его детальное исследование долгое время представлялось
мало перспективным. Из-за небольшого угла между плоскостью галактики и
лучом зрения расшифровка ее спиральной структуры весьма трудна, и до сих
пор продолжаются споры не только о числе рукавов, но. и об их ориентации
относительно направления вращения галактики. По мнению автора, даже на
фотографиях видно, что рукава отходят от ядра М 31 по часовой стрелке и,
поскольку галактика вращается в противоположном направлении, спирали
закручиваются. Это предположение подтверждается формой пылевых волокон
близ ядра М 31 и распределением нейтрального водорода вдали от центра
галактики. Во всяком случае, локализация многих отрезков рукавов в М 31
однозначна, и, следовательно, особенности их структуры можно сопоставить
с предсказаниями волновой теории.
АНАТОМИЯ СПИРАЛЬНОГО РУКАВА.
В юго-западном «углу» галактики М 31 хорошо заметен отрезок спирального
рукава, обозначенный Бааде как S 4. Он пересекает большую ось галактики
на расстоянии 50' от ее центра. В этом рукаве действительно наблюдается
последовательность возрастов, предсказываемая волновой теорией. Перед
его внутренним краем видна .мощная пылевая полоса, с нею совпадает
максимум плотности нейтрального водорода. В центральной и юго-восточной
частях S4 наиболее яркие области Н II встречаются почти исключительно у
внутреннего края рукава. Здесь, следовательно, сосредоточены самые
молодые и горячие 0-звезды. Максимумы плотности атомарного и
молекулярного водорода совпадают друг с другом, указывая места
максимального сжатия газа. Молекулы водорода образуются в наиболее
плотных и холодных облаках, и именно в молекулярных облаках выполняются
условия, необходимые для звездообразования. Этот процесс начинается
перед краем рукава, там, где плотность нейтрального и молекулярного
водорода максимальная, а в зонах Н II на самом краю наиболее массивные
звезды уже сформировались. Здесь сияют 0-звезды, возраст которых не
превышает 10^6 лет. Дальше от края рукава зон Н II почти нет, так как
при своем движении от края рукава 0-звезды успевают проэволюционировать
и превратиться в нейтронные звезды или черные дыры. Градиент возрастов
звезд в поперечном сечении спирального рукава S 4 удобнее исследовать на
участке, где рукав разворачивается, то есть близ большой оси. Здесь луч
зрения направлен почти точно вдоль рукава и расстояния звезд от его
внутреннего края определяются увереннее. В этой области рукава S 4 автор
статьи вместе с сотрудником кафедры астрономии Софийского университета
Г. Р. Ивановым измерили видимые величины звезд на пластинке, полученной
с 2-метровым рефлектором Национальной астрономической обсерватории НРБ.
Зная расстояние до М 31 и учтя межзвездное поглощение света, можно от
видимых звездных величин перейти' к абсолютным, а значит, найти
светимости звезд. Спиральный рукав S 4 неоднократно фотографировал на
5-метровом рефлекторе Бааде, изучавший в 1950—1952 годах переменные
звезды в М31. К счастью, среди переменных оказалось много цефеид. Для
них существует зависимость период—возраст (по наблюдательным данным ее
получил автор статьи в 1964 году), объясняющаяся тем, что более
массивные звезды быстрее переходят в стадию цефеид и имеют больший
период пульсаций. Изучив в какой-то области галактики распределение
цефеид разных возрастов, можно восстановить здесь историю
звездообразования на временном интервале от 10 (период пульсаций 50
дней) до 90 (период пульсаций 2 дня) миллионов лет назад. В рукаве S 4
светимости постоянных звезд и периоды цефеид, максимальные для данного
расстояния от края рукава, убывают с удалением от него. Это и есть
градиент возрастов, ибо максимальные светимости звезд и периоды цефеид
зависят от возраста. Какова же скорость вращения спирального узора
(волны плотности) в М31? У внешнего края рукава S 4, на расстоянии
примерно 2,5 кпк от его внутреннего края, возраст самых молодых звезд
около (2—2,5)*10^7 лет. За это время звезды, родившиеся, согласно
исходному предположению волновой теории, у внутреннего края рукава,
успели его пересечь, поскольку их скорость превышает скорость
твердотельного вращения спирального узора. Зная ширину рукава (2,5 кпк)
и время, затраченное звездами на его пересечение, можно оценить различие
скоростей вращения спирального узора и звезд. Поскольку скорости звезд
известны из наблюдений, можно теперь найти и угловую скорость вращения
спирального узора в М31. Она составляет 10 км/с на 1 кпк. Эта величина
может быть ошибочна на 50%, и все же она, пожалуй, самая надежная из
существующих ныне оценок скорости вращения спирального узора в других
галактиках. При этом ее значении радиус коротации в М31, на котором нет
движения звезд относительно спирального рукава и не должно быть
градиента возрастов, равен около 20 кпк. Примерно на таком расстоянии от
центра галактики находится спиральный рукав S 6. В нем ярчайшие звезды
занимают полосу шириной 100—200 пк, но находится она не у внутреннего
края рукава, как в S 4, а посередине его, распределение звезд в
поперечном сечении рукава S 6 симметрично. Градиента возрастов звезд в
рукаве S 6 действительно нет. Вероятно, этот рукав существует лишь
потому, что области звездообразования растягиваются дифференциальным
вращением.
СПИРАЛЬНЫЕ РУКАВА В М31
И В ГАЛАКТИКЕ.
Итак, ситуация в центральной и юго-восточной части рукава S 4 в
галактике М31 полностью объясняется волновой теорией и современными
представлениями о происхождении массивных звезд. В северной части рукава
S 4 положение более сложное. Здесь находится гигантский комплекс звезд
высокой светимости NGC 206, который уступает по яркости лишь центральной
части М 31 и ее эллиптическим спутникам М 32 и NGC 205. Почему именно в
этой области образовались самые массивные звезды? Плотность газа перед
внутренним краем рукава близ NGC 206 гораздо меньше, -зоны Н II
разбросаны беспорядочно, а не сконцентрированы около внутреннего края.
Севернее NGC 206 рукав S 4 на значительном протяжении теряется вообще;
точнее, локализации газа, звезд высокой светимости и пылевых прожилок
становятся мало связанными Друг с другом. Именно эту область
подразумевал Бааде, говоря, что спиральный рукав иногда ведет себя
подобно хамелеону, превращаясь из пылевого в звездный и наоборот.
Особенности гигантского звездного комплекса NGC 206, расщепление близ
него рукава S 4 и появление тянущихся к соседним рукавам перемычек не
нашли еще полного объяснения. Возможно, все это связано с воздействием
на спиральную структуру М 31 ее близкого спутника — эллиптической
галактики М 32. Можно также предположить, что дело просто в большой
массе этого комплекса, позволяющей ему почти не зависеть от условий в
спиральном рукаве и даже, наоборот, влиять на них. Однако вполне
понятно, почему к югу от NGC 206 спиральный рукав S 4 показывает столь
ярко выраженный градиент возрастов. Скорость встречи рукава и
набегающего на него газа тем больше, чем больше угол закручивания рукава
' и чем дальше рукав от радиуса коротации. В центральной части S 4 угол
закручивания едва ли не максимальный в М 31 (около 25°, тогда как в
среднем в М 31 около 10°), поэтому скорость набегания газа на него очень
велика. На границе рукава возникает ударная волна, и плотность газа
повышается в 10—30 раз, что весьма благоприятно для звездообразования, в
первую очередь—образования массивных звезд, которых у внутреннего края S
4 особенно много. Резко выраженная волна плотности управляет
звездообразованием в рукаве S 4, и вне этого рукава массивных звезд, в
том числе цефеид, почти нет. Рукав S4 находится в среднем на таком же
расстоянии от центра М31, как Солнце от центра Галактики (около 9 кпк),
но между распределением цефеид в этих двух областях огромная разница. В
окрестностях Солнца, в круге радиусом в 3—4 кпк, нет таких обширных,
свободных от цефеид пространств, какие наблюдаются по обе стороны рукава
S 4, Наиболее вероятным объяснением представляется близость Солнца к
радиусу коротации Галактики, в силу чего звездообразование в наших
окрестностях мало зависит от слабой здесь волны плотности. Лишь наиболее
молодые звезды и скопления обрисовывают вокруг Солнца отрезки спиральных
рукавов. Цефеиды же, по-видимому, концентрируются только в отрезке
рукава Киль — Стрелец, находящемся ближе к центру Галактики (и дальше от
радиуса коротации). Тогда значение радиуса коротации в Галактике—10—12
кпк. Эта величина радиуса коротации согласуется с моделью спиральных
волн плотности, возбуждаемых небольшим отклонением от осевой симметрии в
распределении массы близ центра Галактики. При радиусе коротации 10—12
кпк угловая скорость вращений спирального узора составляет 20—24 км/с на
1 кпк. Эта модель подтверждается исследованием кинематики цефеид,
проведенными Ю. Н. Мишуровым, Е. Д. Павловской и А. А. Сучковым. И, как
считает Л. С. Марочник, видимо, не случайно жизнь возникла именно на
Земле, возле Солнца, которое находится близ радиуса коротации. Здесь
промежуток времени между последовательными попаданиями звезды в волну
плотности очень велик (на самом радиусе — бесконечно велик), а встреча с
волной плотности, наверняка, оказалась бы губительной для всего живого —
хотя бы из-за частых взрывов сверхновых в областях звездообразования. А
чтобы на планете появились астрономы, необходимы миллиарды лет
спокойного развития жизни на ней...
Источник и авторство. Статья была впервые опубликована в журнале «Земля
и Вселенная» № 3 за 1984 год, доктор физико-математических наук Ю. Н.
ЕФРЕМОВ.