Русская Википедия:Спиральный рукав
Спира́льные рукава́ (спира́льные ве́тви) — характерный элемент структуры спиральных галактик. Спиральные рукава выглядят как области повышенной яркости в форме спирали в диске галактики. Обычно в галактике два или несколько спиральных рукавов. Их совокупность называют спиральным узором или спиральной структурой галактики.
Внешний вид спиральных рукавов довольно разнообразен. Галактики с упорядоченной структурой имеют симметричный и чёткий узор, состоящий из двух спиральных рукавов, которые простираются на всю галактику, и напротив, спиральная структура флоккулентных галактик состоит из множества небольших фрагментов рукавов, не связанных друг с другом. В различных частях электромагнитного спектра спиральные рукава выглядят по-разному.
Кроме повышенной яркости, спиральные рукава отличаются повышенной концентрацией межзвёздного газа и пыли, ярких звёзд и звёздных скоплений, активным звездообразованием, более голубым цветом, кроме того, там же в галактиках повышена сила магнитного поля. Вклад спиральных рукавов в общую светимость галактики может достигать 40—50 % для некоторых галактик. Разные характеристики спиральных рукавов коррелируют с другими свойствами галактик, например, угол закрутки спиральных рукавов связан с такими параметрами, как масса сверхмассивной чёрной дыры в центре и вклад балджа в общую светимость.
Существует две основные теории, которые объясняют возникновение спиральных рукавов, — это Шаблон:Нп3 и теория волн плотности. Они описывают разные варианты спиральной структуры и не исключают друг друга. Кроме этих теорий, существуют и другие, которые могут объяснять возникновение спиральной структуры в некоторых случаях.
Спиральная структура впервые была обнаружена в 1850 году лордом Россом в галактике M 51. Вопрос о природе спиральной структуры галактик долгое время оставался неразрешённым.
Общие характеристики
Спиральные рукава[1] (спиральные ветви) — характерный элемент структуры спиральных галактик, которые находятся в дисках и выделяются на их фоне повышенной яркостью[2]. Такие структуры имеют форму спиралей, которые в галактиках без бара обычно исходят из области вблизи центра галактики, тогда как в галактиках с баром они начинаются на концах бараШаблон:Sfn. Спиральные рукава не распространяются на весь радиус диска и заканчиваются на том расстоянии, за пределами которого диск всё ещё можно обнаружитьШаблон:Sfn. Обычно в галактике два или несколько спиральных рукавов[3]. Их совокупность в галактике называют спиральным узором или спиральной структурой[4].
Из всех массивных галактик около 2/3 являются спиральными[5]. Спиральные рукава наблюдаются у галактик на красных смещениях до <math>z \approx 1</math>, а иногда и у более далёких, что соответствует моменту времени, когда возраст Вселенной составлял менее половины нынешнего. Это говорит о том, что спиральная структура — явление, существующее длительное времяШаблон:Sfn.
По своему внешнему виду спиральные рукава значительно различаются[3], но в целом они отличаются повышенной концентрацией газа и пыли, в них происходит активное звездообразование, наблюдается больше звёздных скоплений, областей H II и ярких звёзд, чем в остальном диске[2]. Хотя спиральные рукава заметны в первую очередь благодаря молодому звёздному населению, повышенная концентрация старых звёзд в них также наблюдаетсяШаблон:Sfn[5].
В зависимости от части электромагнитного спектра, в которой наблюдается галактика, выраженность и внешний вид спиральных ветвей в ней отличаются. В голубой и ультрафиолетовой части спектра спиральные рукава хорошо выражены благодаря наличию в них голубых сверхгигантов; в красной и в ближней инфракрасной области больший вклад вносят старые звёзды, поэтому спиральные рукава выглядят менее контрастными, но более гладкими. Излучение межзвёздной пыли делает спиральные рукава яркими в дальней инфракрасной области, а излучение нейтрального водорода и молекул — в радиодиапазоне. Наибольшую контрастность и количество мелких деталей в спиральных рукавах можно заметить при наблюдении в эмиссионных спектральных линиях, создаваемых эмиссионными туманностями, а также в линиях полиароматических углеводородов, которые создаются холодными облаками газаШаблон:Sfn.
Внешний вид спиральных рукавов — один из критериев морфологической классификации галактик. Например, в схеме классификации Хаббла спиральные галактики делятся на типы Sa, Sb, Sc, а спиральные галактики с баром — SBa, SBb, SBc. Галактики ранних типов Sa и SBa имеют туго закрученные и гладкие спиральные рукава, а галактики поздних типов Sc и SBc — клочковатые спиральные рукава с бо́льшим углом закрутки (см. нижеШаблон:Переход). Типы Sb и SBb имеют промежуточные характеристикиШаблон:SfnШаблон:Sfn.
Морфология
Спиральная структура галактик довольно разнообразна по внешнему виду. Галактики с упорядоченной структурой (Шаблон:Lang-en) имеют симметричный и чёткий узор, состоящий из двух спиральных рукавов, которые простираются на всю галактику, — такие объекты составляет 10 % от общего числа спиральных галактик. Напротив, спиральная структура флоккулентных галактик состоит из множества небольших фрагментов рукавов, не связанных друг с другом, — доля таких галактик среди спиральных равна 30 %Шаблон:Sfn[6].
Остальные галактики относят к промежуточному типу — многорукавным спиральным галактикам[7], которые имеют свойства как флоккулентных, так и упорядоченных. Например, они могут быть похожи на галактики с упорядоченной структурой, но иметь более двух рукавов или же иметь более упорядоченную структуру из двух рукавов во внутренних частях, которая становится неправильной на периферииШаблон:Sfn[8][9]. Тем не менее практически во всех случаях в спиральной структуре присутствуют элементы обоих видов структуры: даже в галактиках с упорядоченной структурой имеются детали, которые не вписываются в глобальный спиральный узорШаблон:Sfn. Встречаются и такие галактики, которые при наблюдении в разных спектральных диапазонах демонстрируют различный вид спиральной структуры[10]. Различие между двумя основными типами спиральных рукавов оказывается связанным с принципиальными физическими различиями между ними (см. нижеШаблон:Переход)Шаблон:Sfn.
-
M 81 — спиральная галактика с упорядоченной структурой
-
M 101 — многорукавная спиральная галактика
-
NGC 2841 — флоккулентная спиральная галактика
Также существует разделение спиральных рукавов на «массивные» (Шаблон:Lang-en) и «нитевидные» (Шаблон:Lang-en). В первом случае рукава широкие, диффузные и не слишком контрастируют с пространством между ними, а во втором — узкие и чётко очерченныеШаблон:Sfn.
Форма и угол закрутки
Форма рукава обычно параметризуется углом закрутки (или углом закручивания) <math>\mu</math>. Угол закрутки равен углу между касательной к спиральному рукаву в определённой точке и перпендикуляром к радиусу, проведённому в эту точку. В большинстве спиральных галактик средний угол закрутки составляет от 5° до 30°[6][13]. Спиральные рукава с малым углом закрутки также называют туго закрученными, с бо́льшим углом закрутки ― раскрытыми[14].
Форма спиральных рукавов часто упрощённо описывается логарифмической спиралью, также иногда спиральные рукава описывают архимедовой или гиперболической спиралью. В случае логарифмической спирали угол закрутки постоянен, в архимедовой — уменьшается с ростом расстояния от центра, а в гиперболической — возрастает. Измерение углов закрутки в галактиках показывает, что лишь у меньшинства спиральных галактик углы закрутки в рукавах близки к постоянным, а у более чем 2/3 галактик угол закрутки варьируется более чем на 20 %. Средний угол закрутки коррелирует с различными параметрами галактики, например, у галактик с более яркими балджами спиральные рукава закручены более туго[14].
-
NGC 4977 (<math>\mu = 7{,}3^\circ</math>)
-
NGC 2649 (<math>\mu = 12{,}6^\circ</math>)
-
NGC 4195 (<math>\mu = 25{,}7^\circ</math>)
-
NGC 2575 (<math>\mu = 29{,}7^\circ</math>)
-
NGC 2532 (<math>\mu = 45{,}1^\circ</math>)
Также спиральные рукава можно классифицировать по признаку того, являются ли они «отстающими» (Шаблон:Lang-en) или «ведущими» (Шаблон:Lang-en). В случае отстающих спиральных рукавов их концы направлены в сторону, противоположную направлению вращения галактики, в случае ведущих рукавов — в ту же сторону, в которую галактика вращается. На практике трудно определить, являются ли рукава данной галактики ведущими или отстающими: галактика не должна быть наклонена к картинной плоскости слишком сильно, чтобы спиральная структура была заметна, но некоторый наклон необходим, чтобы можно было измерить направление вращения, кроме того, должна быть возможность определить, какая сторона галактики ближе к наблюдателю. Различные наблюдения показывают, что большинство галактик имеет отстающие спиральные рукава, а ведущие редки: например, из двух сотен исследованных таким образом галактик только у двух рукава могут быть ведущими. Иногда встречаются галактики, имеющие и ведущие, и отстающие спиральные рукава — например, NGC 4622. Численное моделирование показывает, что ведущие спиральные рукава могут возникать в особых случаях — например, если гало тёмной материи вращается в обратную сторону относительно диска галактики[16][17].
Ширина спиральных рукавов в большинстве галактик возрастает с увеличением расстояния до центра. Наибольшую ширину имеют рукава в галактиках с упорядоченной структурой[18].
Светимость и цвет
Отношение светимости спиральной структуры к светимости всей галактики наиболее высоко для спиральных галактик с упорядоченной структурой: для них это отношение составляет в среднем 21 %, а для некоторых галактик может достигать 40—50 %. Для флоккулентных и многорукавных галактик это отношение составляет 13 % и 14 % соответственно. Также доля спиральных рукавов в общей светимости повышается в более поздних морфологических типах: для галактик типа Sa она составляет в среднем 13 %, а для Sc — 30 %.[18].
Цвет спиральных рукавов становится более голубым для галактик поздних морфологических типов. Показатель цвета g − r для галактик типа Sc составляет около 0,3―0,4m, а для галактик типа Sa ― 0,5―0,6m[18].
Существуют и так называемые анемичные галактики (или «бледные спиральные», Шаблон:Lang-en)Шаблон:Sfn. Они отличаются нечётким, слабым спиральным узором, что вызвано меньшим количеством газа и, следовательно, более низким темпом звездообразования, чем у обычных спиральных галактик того же морфологического типа. Анемичные галактики чаще встречаются в скоплениях галактик — по всей видимости, на галактики в скоплениях действует Шаблон:Не переведено 3 (Шаблон:Lang-en), из-за чего они быстро теряют газ. Предполагается, что этот тип галактик может являться промежуточным между спиральными и линзовидными галактикамиШаблон:Sfn[19].
Магнитное поле
В спиральных рукавах наблюдаются более сильные магнитные поля, чем в остальной галактике. Среднее значение магнитных полей в спиральных галактиках составляет 10 микрогаусс, а в их спиральных рукавах ― 25 микрогаусс. В галактиках с выраженным спиральным узором магнитные поля ориентированы вдоль рукавов, хотя в некоторых случаях магнитное поле может образовывать отдельную спиральную структуру, которая проходит в пространстве между видимыми спиральными рукавами. В свою очередь, магнитные поля могут влиять на перемещение газа в галактике и способствовать формированию спиральных рукавов[20][21], хотя они слишком слабы, чтобы играть ведущую роль в формировании спиральных рукавовШаблон:Sfn.
Связь параметров спиральных рукавов с другими свойствами галактики
Параметры спиральных рукавов коррелируют с другими свойствами галактики. Например, известно, что галактики с бо́льшим углом закрутки обычно имеют более низкую массу сверхмассивной чёрной дыры в центре[22] и меньшую массу галактики вообще, меньший вклад балджа в общую светимость, более низкую дисперсию скоростей в центре, а их кривые вращения оказываются более возрастающими[23], но эти зависимости не слишком сильные[24]. Хотя угол закрутки спиральных рукавов исходно был введён в морфологическую классификацию галактик как один из критериев классификации, оказывается, что эта величина коррелирует с морфологическим типом даже слабее, чем, например, показатель цвета спиральных рукавов (см. вышеШаблон:Переход)[18]. Корреляция угла закрутки с упомянутыми параметрами объяснима теоретически: описанные величины связаны с распределением массы в галактике, которое влияет на то, как распространяется волна плотности в диске галактики (см. нижеШаблон:Переход)Шаблон:Sfn.
Более контрастные и выраженные спиральные рукава наблюдаются у более массивных галактик с более упорядоченной структурой[18]. Также контрастность спиральных рукавов выше в галактиках с выраженным баром, но эта корреляция слабая[25]. Флоккулентные галактики в среднем имеют меньшую массу и более поздний морфологический тип, чем галактики с упорядоченной структурой[26].
Спиральная структура Млечного Пути
О наличии спиральных рукавов в диске нашей Галактики трудно сделать вывод, наблюдая в оптическом диапазоне, поскольку Солнце находится в плоскости диска Млечного Пути, а свет поглощается межзвёздной пылью. Однако спиральные рукава можно заметить, например, при составлении карты распределения нейтрального водорода или молекулярных облаков[27].
Расположение, длина и даже количество спиральных рукавов ещё точно не определены[1][28], но чаще всего считается, что в Млечном Пути четыре крупных спиральных рукава: два главных — рукав Центавра и рукав Персея — и два вторичных — рукав Наугольника и рукав Стрельца[29]. Их угол закрутки составляет около 12°. Их ширина оценивается в 800 парсек[30]. Помимо крупных рукавов, выделяются и более мелкие подобные образования, как, например, рукав Ориона, также называемый Местным рукавомШаблон:Sfn.
Теории возникновения спиральной структуры
Распространённость спиральных галактик указывает на то, что спиральная структура — долгоживущее явление. Однако из-за того, что сами галактики вращаются дифференциально, а не как твёрдое тело, любая структура в диске должна сильно закручиваться и исчезать за 1—2 оборота. Два наиболее распространённых варианта решения этой проблемы — Шаблон:Нп3 (коротко — SSPSF, от Шаблон:Lang-en) и теория волн плотности, причём они описывают разные варианты спиральной структуры. Согласно первому объяснению, спиральные рукава постоянно образуются и исчезают, не успевая слишком сильно закрутиться — такие спиральные рукава называют материальными. Теория волн плотности предполагает, что спиральный узор является волной плотности и поэтому вращается независимо от диска, как твёрдое тело, — в этом случае спиральные рукава называют волновыми. Такие виды спиральных рукавов не исключают друг друга в одной галактикеШаблон:SfnШаблон:Sfn.
Приливные хвосты, наблюдаемые у взаимодействующих галактик, также относят к материальным спиральным рукавам. Из-за небольшой скорости движения вещества на расстоянии от галактики приливные хвосты оказываются относительно долговечными сами по себеШаблон:Sfn.
Модель SSPSF
Согласно модели SSPSF, спиральные рукава возникают, когда в какой-то области галактики активизируется звездообразование. Из-за наличия молодых ярких звёзд эта область влияет на соседние участки межзвёздной среды — например, вспышки сверхновых создают ударные волны в газе, так что звездообразование распространяется по дискуШаблон:Sfn. За период менее 100 миллионов лет — меньше времени одного оборота галактики, самые яркие звёзды — возникшие в этой области, успевают погаснуть, а из-за дифференциального вращения эта область успевает вытянуться в короткую дугу. Поскольку звездообразование постоянно вспыхивает в разных частях диска, то в различные моменты времени в диске наблюдается множество таких дуг, что наблюдается, как флоккулентный спиральный узор[31][32]. Поскольку такие спиральные рукава заметны лишь благодаря молодым звёздам, то они практически не влияют на распределение массы в галактике и практически не наблюдаются в инфракрасном диапазонеШаблон:Sfn.
Теория волн плотности
Спиральные рукава в теории волн плотности возникают, если в диске происходят механические колебания и появляется волна плотности — звёзды движутся в диске таким образом, что в некоторых областях сближаются и оказываются сконцентрированы сильнее. Поскольку волна плотности управляет не только звёздами, но и газом, то в области, где повышена концентрация звёзд, более активно и звездообразование. При этом в разные моменты времени в спиральном рукаве оказываются разные звёзды, так что волна плотности движется с другой скоростью, нежели звёздный диск, и не подвержена закручиванию. Под воздействием этого механизма образуется крупномасштабная, упорядоченная спиральная структура, наблюдаемая и в инфракрасном диапазонеШаблон:Sfn[33][34]. Концентрация звёзд в спиральном рукаве увеличивается ненамного — на 10—20 %, но соответствующее изменение гравитационного потенциала значительно влияет на движение газа. Газ разгоняется, в нём могут возникать ударные волны, которые внешне проявляются как тёмные Шаблон:Нп3 в рукавах[4].
Подтверждение наличия волны плотности затруднительно на практике, но возможно, например, при обнаружении определённого радиуса коротации — области, где спиральный рукав движется с той же скоростью, что и звёзды. Его можно обнаружить, наблюдая градиенты цвета в спиральных рукавах: поскольку образовавшееся в рукаве звёздное население со временем краснеет, то, если его скорость отлична от скорости движения рукава, поперёк рукава должен наблюдаться градиент цвета[35][36]. Считается, что волны плотности создаются и поддерживаются барами галактик или приливным воздействием со стороны их спутников[4].
Теория волн плотности предсказывает, что устойчивыми являются только отстающие спиральные рукава, а любая ведущая структура должна в какой-то момент превращаться в отстающую. При этом сама структура после превращения на некоторое время усиливается — происходит «раскачивание» (Шаблон:Lang-en)Шаблон:Sfn.
-
«Материальные» спиральные рукава сильно закручиваются за небольшое время
-
Волны плотности создают рукава, которые не закручиваются со временем
Альтернативные теории
Некоторые теории предлагают иные механизмы появления спиральных рукавов, нежели теория волн плотности и модель SSPSF. Чаще всего они призваны не заменить вышеописанные теории полностью, а объяснить возникновение спиральных рукавов в отдельных случаях. Например, теория многообразий (Шаблон:Lang-en) распространяется только на спиральные галактики с баром. Согласно этой теории, из-за гравитационного воздействия бара орбиты звёзд выстраиваются определённым образом, создают спиральные рукава и двигаются вдоль них. Название теории связано с тем, что в рамках этой модели движущиеся в спиральных рукавах звёзды в фазовом пространстве образуют многообразие. В отличие от теории волн плотности, теория многообразий не предполагает возникновение градиентов цвета в спиральных рукавах, которые во многих галактиках в действительности наблюдаются. То обстоятельство, что в галактиках с баром спиральные рукава начинаются из области вблизи бара, может указывать на связь этих структур, и теория многообразий — не единственная, которая объясняет возникновение рукавов благодаря барамШаблон:Sfn[37].
История изучения
Спиральные рукава были впервые обнаружены в галактике Водоворот (M 51): в ней лорд Росс открыл спиральную структуру в 1850 году[28].
В 1896 году была сформулирована проблема закручивания: если бы спиральные рукава были материальными образованиями, то вследствие дифференциального вращения они бы очень быстро закручивались до такой степени, что их было бы невозможно наблюдать (см. вышеШаблон:Переход). Таким образом, вопрос о природе спиральной структуры долгое время оставался неразрешённым. С 1927 года этим вопросом занимался Бертиль Линдблад, и в 1961 году он сделал верный вывод о том, что спиральные рукава возникают вследствие гравитационного взаимодействия между звёздами в диске. Позднее, в 1964 году, Линь Цзяцяо и Фрэнк Шу разработали теорию, согласно которой спиральные рукава можно рассматривать как волны плотности[33][38]. Модель SSPSF появилась в 1978 году, но ещё в 1953 году Эрнст Эпик отметил, что вспышка сверхновой может стимулировать звездообразование в соседних областях, что и легло в основу будущей теории[39]Шаблон:Sfn.
В 1953 году были достаточно точно измерены расстояния до различных звёздных ассоциаций в нашей Галактике. Благодаря этому было показано, что в Млечном Пути имеется спиральная структура[27].
Разделение галактик на флоккулентные, многорукавные и с упорядоченной структурой происходит от более сложной схемы морфологической классификации, включающей 10 классов, которые описывают вид спирального узора. Эту схему классификации разработали Шаблон:Нп3 и Шаблон:Нп3 в 1987 году, но впоследствии они же предложили использовать упомянутую более простую схему[40]Шаблон:Sfn.
Несмотря на успехи теории волн плотности, физическая природа спиральных рукавов пока не объяснена полностью, этот вопрос всё ещё обсуждается[41]Шаблон:Sfn.
Примечания
Литература
Ссылки
Шаблон:Галактики Шаблон:Избранная статья
- ↑ 1,0 1,1 Шаблон:БРЭ
- ↑ 2,0 2,1 Шаблон:Cite web
- ↑ 3,0 3,1 Шаблон:Cite web
- ↑ 4,0 4,1 4,2 Шаблон:Cite web
- ↑ 5,0 5,1 Шаблон:Статья
- ↑ 6,0 6,1 Шаблон:Cite web
- ↑ Шаблон:Cite web
- ↑ Шаблон:Статья
- ↑ Шаблон:Статья
- ↑ Шаблон:Статья
- ↑ Шаблон:Статья
- ↑ Шаблон:Sfn
- ↑ Шаблон:Cite web
- ↑ 14,0 14,1 Шаблон:Статья
- ↑ Шаблон:Статья
- ↑ 16,0 16,1 Шаблон:Статья
- ↑ Шаблон:Статья
- ↑ 18,0 18,1 18,2 18,3 18,4 Шаблон:Статья
- ↑ Шаблон:Cite web
- ↑ Шаблон:Статья
- ↑ Шаблон:Статья
- ↑ Шаблон:Статья
- ↑ Шаблон:Статья
- ↑ Шаблон:Статья
- ↑ Шаблон:Статья
- ↑ Шаблон:Статья
- ↑ 27,0 27,1 Шаблон:Cite web
- ↑ 28,0 28,1 Шаблон:Статья
- ↑ Шаблон:Статья
- ↑ Шаблон:Статья
- ↑ Шаблон:Статья
- ↑ Шаблон:Cite web
- ↑ 33,0 33,1 Шаблон:Статья
- ↑ Шаблон:Статья
- ↑ Шаблон:Статья
- ↑ Шаблон:Статья
- ↑ Шаблон:Статья
- ↑ Шаблон:Статья
- ↑ Шаблон:Статья
- ↑ Шаблон:Статья
- ↑ Шаблон:Статья
- Страницы с неработающими файловыми ссылками
- Русская Википедия
- Галактическая астрономия
- Внегалактическая астрономия
- Галактики
- Галактические рукава
- Типы астрономических объектов
- Страницы, где используется шаблон "Навигационная таблица/Телепорт"
- Страницы с телепортом
- Википедия
- Статья из Википедии
- Статья из Русской Википедии